吳寧勝

(浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院應用工程學院，杭州 310053)

閥門定位器是氣動調(diào)節(jié)閥的核心配套儀表，在石化、輕紡及冶金等工業(yè)管道系統(tǒng)中應用非常廣泛。傳統(tǒng)閥門定位器是基于4～20mA模擬信號工業(yè)標準設計的，適用于集散控制系統(tǒng)[1]。隨著網(wǎng)絡通信技術(shù)在工業(yè)過程控制領域的應用，現(xiàn)場總線系統(tǒng)正在逐步替代集散控制系統(tǒng)，符合現(xiàn)場總線通信協(xié)議的智能閥門定位器成為各大公司研究和開發(fā)的熱點。目前，行業(yè)影響力較大的現(xiàn)場總線技術(shù)主要有HART(Highway Addressable Remote Transducer)、CAN、Lon Works、FF和Profibus。HART總線在傳統(tǒng)模擬信號傳輸線的基礎上實現(xiàn)了數(shù)字信號通信，使原有控制系統(tǒng)不需要更改系統(tǒng)架構(gòu)和工程布線就能直接使用并實現(xiàn)網(wǎng)絡化控制和管理，目前在全球范圍內(nèi)廣泛使用，已成為智能閥門定位器行業(yè)事實上的現(xiàn)場總線標準[2]。因此，對智能閥門定位器的HART通信接口進行研究具有重要意義。

HART既可傳輸模擬信號，也可傳輸現(xiàn)場總線的數(shù)字信號，從而實現(xiàn)與控制中心的信息交互。根據(jù)ISO的OSI參考模型，HART協(xié)議分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。物理層涉及信號的傳輸方式和傳輸介質(zhì)，它是在4～20mA模擬信號上疊加正弦調(diào)制信號以實現(xiàn)數(shù)字通信，規(guī)定數(shù)字信號“1”調(diào)制成頻率為1 200Hz的信號，“0”調(diào)制成頻率為2 200Hz的信號，數(shù)字信號幅值為0.5mA，平均值為0。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和通信模式，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 200bit/s；11位數(shù)據(jù)格式包含一個起始位、8個數(shù)據(jù)位、一個校驗位和一個停止位；字節(jié)奇校驗。應用層則對各種命令代碼作統(tǒng)一規(guī)范，有通用命令、普通應用命令和設備專用命令3類。通用命令是所有HART現(xiàn)場設備都必須響應的命令；普通應用命令只被設備部分應用；設備專用命令是生產(chǎn)廠商根據(jù)需要制定的命令。

2 HART通信接口硬件設計與分析

2.1 定位器工作原理

基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，超低功耗電源電路用于將4～20mA電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，為HART通信接口電路、微處理器MCU單元和其他電路功能模塊提供穩(wěn)定的工作電壓；智能閥門定位器作為通信的從機使用；HART通信接口是MCU控制單元與主機之間的橋梁；隔離電路可以提高系統(tǒng)可靠性[1,3]。

從圖1可以看出，基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器為二線制設計，與主機的連接只有兩條線，4～20mA 電流信號既是給定的閥門位置目標控制信號，也是整個定位器硬件電路正常工作的電源。按照線性穩(wěn)壓電路輸出的穩(wěn)定電壓為6.6V進行估算，定位器從控制信號攝取的最小功率是26.4mW(6.6V×4mA)，最大功率是132.0mW(6.6V×20mA)。因此，低功耗設計是定位器正常工作的首要因素，要求各電路功能模塊工作于超低功耗模式。

圖1 HART通信接口與智能閥門定位器結(jié)構(gòu)框圖

2.2 HART通信接口電路

HART通信接口電路主要由接收濾波與調(diào)制解調(diào)電路、隔離電路、發(fā)送驅(qū)動電路及微處理器接口等組成(圖2)[2,4,5]。通信接口電路所有有源部件均采用超低功耗芯片。調(diào)制解調(diào)電路的核心是一個HART Modem，國產(chǎn)型號SD2015，典型電流值在工作電壓為3.3V時只有90μA，其內(nèi)部集成符合Bell202標準的調(diào)制器/解調(diào)器等相關(guān)電路，簡化了接口電路設計，使系統(tǒng)更加可靠。圖2中U5和R25組成精密穩(wěn)壓電路，為SD2015和HART通信隔離電路提供直流偏置電壓，實現(xiàn)單電源供電電路對交流信號的處理。

圖2 HART通信接口硬件電路

從圖2可以看出，調(diào)制解調(diào)電路與HART數(shù)據(jù)傳輸線使用不同的地線(負端)。不同的地電勢會產(chǎn)生共模干擾，輕則會造成HART通信中斷及4～20mA信號誤差等故障，重則會使設備端口器件損壞。只有采用有效的電氣隔離方法才能解決上述問題，筆者采用音頻隔離變壓器T1與隔直電容C13、C15實現(xiàn)HART主電路與4～20mA信號線的隔離。

調(diào)制解調(diào)電路芯片載波信號輸出功率一般都比較小，為此筆者特別增加了由運放U201構(gòu)成的載波發(fā)送驅(qū)動電路，較好地實現(xiàn)了通信網(wǎng)絡低阻抗情況下的可靠通信。同時，HART通信是一種半雙工通信模式，必須配置發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換電路，筆者采用場效應管Q2作為電子開關(guān)并配合SD2015的方法設計發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換電路。

調(diào)制解調(diào)電路與微處理器MCU的接口有5個I/O線。MCU通過串聯(lián)通信端口TXD、RXD和SD2015的ITXD、ORXD進行數(shù)據(jù)通信。INRTS線控制發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換，且低電平發(fā)送，高電平接收。OCD線是外部載波信號檢測輸出線，MCU可以判斷HART總線是否繁忙。XTAL是芯片SD2015工作時鐘輸入線，需要460.8kHz時鐘源。由于460.8kHz晶振在市場上不容易購買到，因此筆者通過微控制器的PWM模塊工作于CTC模式經(jīng)軟件編程分頻實現(xiàn)，具有很好的靈活性，降低了生產(chǎn)成本。

3 軟件設計與分析

HART通信協(xié)議是一種半雙工通信模式，由主控設備(上位機)發(fā)送通信請求，智能閥門定位器作為從機響應。通信程序主要完成數(shù)據(jù)鏈路層和應用層規(guī)定的任務，其中，數(shù)據(jù)鏈路層的實現(xiàn)是HART通信軟件設計的關(guān)鍵。

3.1 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范

數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和通信模式。從軟件設計的角度來看，需要特別注意HART的通信幀格式(表1、2)[5,6]。

表1 HART主機發(fā)往從機的數(shù)據(jù)幀格式

表2 HART從機發(fā)往主機的數(shù)據(jù)幀格式

其中，前導符是5～20個FF十六進制字節(jié)，這是為了使數(shù)據(jù)接收端在硬件電路上產(chǎn)生CD載波檢測信號，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的同步。定界符代表數(shù)據(jù)的傳輸方向，同時指定了數(shù)據(jù)幀的幀類型(長、短幀結(jié)構(gòu))，主機到從機的短結(jié)構(gòu)值為02，長結(jié)構(gòu)值為82；從機到主機的短結(jié)構(gòu)值為06，長結(jié)構(gòu)值為86。地址字節(jié)的短結(jié)構(gòu)占一個字節(jié)，字節(jié)0～4位的表示值是0～15的從機地址；長結(jié)構(gòu)占5個字節(jié)，首字節(jié)的6位表示從機的生產(chǎn)廠商的代碼，第2個字節(jié)表示從機設備型號代碼，后3～5個字節(jié)表示從機的設備序列號，構(gòu)成唯一標志碼。命令號也稱為功能碼，用于指明一個數(shù)據(jù)幀的具體實現(xiàn)功能。數(shù)據(jù)長度指實際數(shù)據(jù)的數(shù)量(如是從機，則包含響應碼)。響應碼用于報告通信中的錯誤、接收命令的狀態(tài)和從機的操作狀態(tài)。數(shù)據(jù)字節(jié)用于設置或讀取指定從機的參數(shù)數(shù)據(jù)(通信的最終結(jié)果)。校驗字節(jié)是從定界符到數(shù)據(jù)的所有字節(jié)的“異或”值，用于檢驗通信數(shù)據(jù)幀的錯誤。

3.2 協(xié)議鏈路層的程序?qū)崿F(xiàn)

依據(jù)HART協(xié)議的通信格式可以計算出傳送一個字符的時間大約在9ms。如果采用延時等待連續(xù)發(fā)送方式，一幀長數(shù)據(jù)就可能要消耗0.5～1.0s的CPU時間，控制的實時性無法保證，因此HART協(xié)議鏈路層程序設計的關(guān)鍵是每一個字節(jié)數(shù)據(jù)的收發(fā)都必須采用中斷方式實現(xiàn)，中斷程序流程如圖3所示。在接收中斷程序中，定位器510)構(gòu)成。其中：輸入模件、輸出模件、電源模件、CPU控制器件、接口模件、總線底板模件和顯示器件均為PLC或DCS系統(tǒng)的標準硬件。另外還包括限幅控制單元、充壓時間設定單元、設定曲線生成單元和軟伺服控制單元，軟件單元安裝在PLC或DCS系統(tǒng)的CPU控制器件上。

圖3 HART協(xié)議鏈路層數(shù)據(jù)幀接收/發(fā)送中斷程序流程

4 結(jié)束語

HART通信技術(shù)已成為工業(yè)控制領域中應用最廣泛的現(xiàn)場通信協(xié)議之一，在儀表領域有著廣闊的應用空間。筆者開發(fā)的基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器具有良好的系統(tǒng)性能，經(jīng)過批量測試，該智能閥門定位器即使在惡劣的環(huán)境下運行依然穩(wěn)定、可靠。實踐證明，基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器的通信接口設計具有結(jié)構(gòu)簡單及易于實現(xiàn)等優(yōu)點，對相關(guān)產(chǎn)品的研制有重要的指導意義。

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