田英明

(重慶川儀自動化股份有限公司， 重慶 401121)

基于USB總線接口的HART MODEM的研發(fā)與應(yīng)用

田英明

(重慶川儀自動化股份有限公司， 重慶 401121)

現(xiàn)階段工業(yè)自動化儀器儀表領(lǐng)域以HART總線為通訊的方式已經(jīng)成為行業(yè)的標配，然而這種基于串行總線接口HART MODEM在工程實際的應(yīng)用中存在實用性、便攜性差和購買成本高的問題；為此，文章提出一種基于USB總線接口的HART MODEM模塊的研發(fā)與應(yīng)用，其目的是替換現(xiàn)有的基于串行總線接口的HART MODEM模塊，同時解決現(xiàn)有模塊所存在的問題；闡述的USB總線接口的HART MODEM模塊以STC89C51RD微控制器為核心，通過USB驅(qū)動芯片CH375A接收PC機發(fā)來的HART協(xié)議幀，同時將協(xié)議幀通過DS8500 HART調(diào)制解調(diào)器芯片轉(zhuǎn)發(fā)給工業(yè)現(xiàn)場HART型的總線儀表；經(jīng)過實驗與應(yīng)用的驗證，該模塊的抗干擾性、通訊誤碼率均到達工業(yè)級產(chǎn)品指標，并廣泛的應(yīng)用于自動化儀器儀表中的壓力變送器、溫度變送器、流量計、執(zhí)行器等領(lǐng)域。

HART總線；串行總線；HART MODEM；USB總線；微控制器；協(xié)議幀

0 引言

迄今為止，在工業(yè)自動化儀器儀表的應(yīng)用領(lǐng)域中以HART總線[1]為通訊方式的單表完全成了行業(yè)的標準和標配。HART總線是實現(xiàn)工業(yè)自動化控制系統(tǒng)與單表之間數(shù)字通訊的基礎(chǔ)，用的最多的是串口通信接口的HART MODEM，它的缺點是傳輸速度慢，并且在大多數(shù)情況下很不適合筆記本電腦的應(yīng)用，這就會產(chǎn)生當工業(yè)現(xiàn)場HART型儀器儀表[2]產(chǎn)品出現(xiàn)問題時，不利于技術(shù)維護人員現(xiàn)場的檢修與維護；而傳統(tǒng)的HART手操器，雖然操作使用方便，但由于其價格昂貴，也不利于大多用戶的使用。鑒于串行總線接口通信的HART MODEM和傳統(tǒng)的HART手操器存在上述不足之處，文章提出一種基于USB總線接口的HART MODEM模塊的研發(fā)與應(yīng)用，其目的是替換現(xiàn)有的基于串行總線接口的HART MODEM模塊，同時解決現(xiàn)有模塊在工程實際的應(yīng)用中存在實用性、便攜性差和購買成本高的問題。據(jù)了解，目前，國內(nèi)公司還沒有生產(chǎn)基于USB通信接口[3]的HART MODEM產(chǎn)品，市面上見到的同類型產(chǎn)品是新加坡的一家公司生產(chǎn)的，但其價格也比較昂貴。本著方便用戶使用的原則，進行了基于USB總線接口通信的HART MODEM模塊的研發(fā)與應(yīng)用。

1 USB總線型HART MODEM模塊整體研發(fā)方案

1.1 USB總線型HART MODEM模塊的技術(shù)指標

由于基于USB總線型HART MODEM模塊是將USB總線和HART總線相結(jié)合的，并且以HART總線協(xié)議的為通訊協(xié)議基礎(chǔ)的一款工業(yè)級產(chǎn)品。所以該模塊產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計與應(yīng)用就要達到工業(yè)級產(chǎn)品要求的硬性指標，具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

1)模塊工作溫區(qū)在-40～85 ℃之間；

2)防護等級達到IP67等級；

3)通訊協(xié)議為標準的HART總線協(xié)議；

4)通訊抗干擾能力強且通訊誤碼率小于百萬分之一(與現(xiàn)有串行總線型HART MODEN和HART手操器完全相同)；

5)模塊電源由PC機或是智能設(shè)備的USB總線接口提供標準的5V DC；

6)模塊的適用范圍為工業(yè)自動化儀器儀表中配有HART總線通訊方式的儀表，如壓力變送器、溫度變送器、流量計、執(zhí)行器等。

1.2 USB總線型HART MODEM模塊的研發(fā)思路

以上述技術(shù)指標為標準和依據(jù)展開對USB總線型HART MODEM模塊硬件和軟件的設(shè)計與研發(fā)。硬件的設(shè)計要實現(xiàn)USB總線通訊電路和HART總線電路且保證整體電路工作與通訊抗干擾能力滿足上述指標，同時能夠長期穩(wěn)定的工作與自動化現(xiàn)場。軟件的整體設(shè)計研發(fā)是以PC機或智能設(shè)備的USB總線接口為基礎(chǔ)，通過USB總線實現(xiàn)上位機控制監(jiān)測軟件之間的數(shù)據(jù)傳輸；然后在通過HART總線來實現(xiàn)USB型HART MODEM模塊與現(xiàn)場HART總線型儀表之間的數(shù)據(jù)傳輸，最終實現(xiàn)筆記本或臺式機電腦通過USB總線與現(xiàn)場HART總線型儀表之間通訊。模塊的整體軟硬件最終實現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場達到小于百萬分之一的通訊誤碼率。圖1為基于USB總線接口的HART MODEM整體研發(fā)架構(gòu)圖。

圖1 USB總線接口的HART MODEM整體架構(gòu)圖

1.3 USB總線型HART MODEM模塊的研發(fā)內(nèi)容

模塊的整體研發(fā)內(nèi)容分三部分：其一為軟件與HART協(xié)議組態(tài)部分。該部分主要上位機檢測軟件與模塊微控制器間HART協(xié)議幀的傳輸與解析，以及模塊與HART總線型儀器儀表間HART協(xié)議幀的傳輸與解析。現(xiàn)階段工業(yè)自動化儀表現(xiàn)場應(yīng)用的HART型總線儀表的HART協(xié)議版本多數(shù)為HART5.0和HART6.0，PC機客戶端應(yīng)用程序主要圍繞HART5.0和HART6.0協(xié)議版本中通用命令[4]和常用命令[5]的進行組幀傳輸，以及協(xié)議幀響應(yīng)處理。其二為硬件研發(fā)設(shè)計部分。該部分的設(shè)計以PC機的USB接口為基礎(chǔ)展開設(shè)計，首先是應(yīng)用USB總線的驅(qū)動芯片CH375[6]來實現(xiàn)PC機與USB型HART MODEM模塊之間通訊的電路設(shè)計；其次是應(yīng)用DS8500的HART調(diào)制解調(diào)器芯片[7]來實現(xiàn)USB型HART MODEM模塊與HART總線儀表或設(shè)備之間通訊電路的設(shè)計；最終完成USB型HART MODEM模塊整體電路的研發(fā)設(shè)計。其三為整體模塊的實驗應(yīng)用測試部分。該部分主要驗證整體模塊的性能與質(zhì)量是否能夠滿足研發(fā)提出的技術(shù)指標和現(xiàn)場客戶的需求。

1.4 USB總線型HART MODEM模塊的研發(fā)意義

該模塊可以完全取代現(xiàn)有的基于串行通訊接口的HART MODEM和價格昂貴的HART手操器，并且該模塊的研發(fā)設(shè)計可以便捷的應(yīng)用HART通訊網(wǎng)絡(luò)與筆記本電腦或臺式電腦之間進行數(shù)字通訊。同時該模塊無需外部供電，電源來自于USB總線接口設(shè)備。模塊能夠兼容多種類型的HART產(chǎn)品(壓力變送器、溫度變送器、流量計、執(zhí)行器等等)。此外，該模塊還具有性能可靠，成本低的優(yōu)點。

2 USB總線接口的HART MODEM硬件原理與實現(xiàn)

模塊硬件工作原理：PC機通過USB接口向HART MODEM發(fā)送命令協(xié)議幀，微控制器STC89C51RD從USB接口驅(qū)動芯片的CH375A[8]中的緩沖區(qū)內(nèi)讀取命令協(xié)議幀，并將獲得的命令協(xié)議幀轉(zhuǎn)發(fā)給HART MODEM，HART MODEM在微控制器的控制下對接收到的命令協(xié)議幀進行調(diào)制處理，并將調(diào)制解調(diào)后的命令協(xié)議幀發(fā)送至現(xiàn)場的HART智能設(shè)備；HART智能設(shè)備接收到命令協(xié)議幀后做出相應(yīng)的命令響應(yīng)協(xié)議幀進行回傳，HART MODEM對獲得的命令響應(yīng)協(xié)議幀進行解調(diào)處理，并將得到的解調(diào)命令響應(yīng)協(xié)議幀轉(zhuǎn)發(fā)給微控制器，微控制器將接收的解調(diào)數(shù)據(jù)通過USB接口轉(zhuǎn)發(fā)給PC機。

USB總線型HART MODEM模塊硬件設(shè)計首先要滿足整體硬件能夠在-40℃～85℃之間正常工作運行；其次所設(shè)計的硬件能夠?qū)SB總線設(shè)備和HART型儀表有機的融合起來實現(xiàn)智能設(shè)備與HART型儀表之間正常、穩(wěn)定、準確的通訊；最后所設(shè)計硬件具有較強的抗干擾能力，以確保該模塊上微控制器軟件的正常運行，同時整體軟硬件的通訊誤碼率小于百萬分之一，這也是HART總線型儀表或設(shè)備在工業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域中的最基本要求?；谏鲜鲆笳归_USB總線型HART MODEM模塊的硬件的設(shè)計與實現(xiàn)。整體模塊的電路共分為電源電路、在線仿真調(diào)試電路、USB總線通訊電路、HART MODEM通訊電路四部分電路。本文著重對USB總線通訊電路和HART MODEM通訊電路進行闡述，因為這是實現(xiàn)USB總線型HART MODEM模塊通信的硬件核心部分，圖2為基于USB總線接口的HART MODEM模塊的整體硬件電路原理圖。

圖2 USB總線接口的HART MODEM硬件原理圖

2.1 USB總線接口電路

該部分電路主要實現(xiàn)PC機與USB型HART MODEM模塊之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸功能。當PC機向模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果微控制器STC89C51RD+獲取到U4(CH375A)驅(qū)動芯片的RD#和CS#處于有效狀態(tài)時，則微控制器通過P0 I/O端口從CH375A的并行端口D0-D8上讀取PC發(fā)來的數(shù)據(jù)；相反，當模塊向PC傳輸數(shù)據(jù)時，微控制器控制操作WR#和CS#處于有效狀態(tài)，同時將待發(fā)數(shù)據(jù)寫到微控制器的P0 I/O端口，CH375A驅(qū)動芯片從并行端口D0-D8上獲取微控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)并上傳至PC機。整個數(shù)據(jù)的讀寫時序要嚴格按照CH375A手冊的要求及廠商提供的驅(qū)動函數(shù)進行。

2.2 HART MODEM及外圍電路

HART MODEM電路通過型號為DS8500的HART調(diào)制解調(diào)器芯片實現(xiàn)的，該芯片滿足HART協(xié)議物理層規(guī)[9]范要求，并且集成了1 200 Hz/2 200 Hz FSK信號調(diào)制[10]、解調(diào)功能，且集成數(shù)字信號處理功能。當HART調(diào)制解調(diào)電路通過HARTOUT端發(fā)送FSK信號時，F(xiàn)SK信號通過設(shè)備端隔離直流電路(電容C32、C33，電阻R13、R14)隔離直流信號后，傳輸至共模扼流圈B1的原邊線圈上，通過濾波電路(C36、C37)進行濾波后傳輸至連接端子J3(兩個端子分別串聯(lián)在HART儀表電源回路上電阻的兩端)，最終由連接端子J3將FSK信號傳輸至HART智能設(shè)備中；當HART調(diào)制解調(diào)電路通過HARTIN端接收FSK信號時，將HART智能設(shè)備發(fā)送的信號通過連接端子J3傳輸至共模扼流圈B1的原邊線圈上，并通過模塊端隔離直流電路(C35、C34)隔離直流信號后，傳輸至HART調(diào)制解調(diào)電路的FSK信號輸入端HARTIN。

由于型號為DS8500的HART調(diào)制解調(diào)器芯片的供電為3.3 V DC，而微控制器STC89C51RD+芯片的供電為5.0 V DC。因此要存在一個5.0 V DC至3.3 V DC的電平轉(zhuǎn)換電路。見圖2中場效應(yīng)管Q9的柵極G通過電阻R27連接DS8500芯片的數(shù)字信號輸出端D_OUT，源極S連接接地端，漏極D通過電阻R28連接5 V直流電源，且漏極D經(jīng)過與非門D1連接單片機的信號接收端HT_RxD。當DS8500芯片的數(shù)字信號輸出端D_OUT輸出3.3 V高電平時，場效應(yīng)管Q9飽和導(dǎo)通，其漏極D的電位為0 V，該0 V電位經(jīng)過與非門D1，產(chǎn)生5 V高電平，即單片機的HT_RXD端為+5 V高電平信號，從而實現(xiàn)了3.3 V電平準換為5 V電平的過程。當DS8500芯片的數(shù)字信號輸出端D_OUT輸出低電平信號時，場效應(yīng)管Q9截止，其漏極D電位為5 V，該5 V電位經(jīng)過與非門D1，產(chǎn)生低電平，即HT_RXD端為低電平信號。

3 USB總線接口的HART MODEM軟件研發(fā)與實現(xiàn)

文章闡述的基于USB總線型HART MODEM模塊的軟件設(shè)計主要圍繞HART5.0和HART6.0協(xié)議版本中通用命令和常用命令展開的。程序主要完成通用命令和常用命令組幀傳輸，以及對應(yīng)命令的協(xié)議響應(yīng)幀組幀回傳功能。同時模塊程序要實現(xiàn)HART通訊協(xié)議傳輸與響應(yīng)的誤碼率小于百萬分之一的技術(shù)指標。圖3和圖4分別為HART通訊協(xié)議的短幀和長幀格式。

圖3 HART通訊協(xié)議的短幀格式

圖4 HART通訊協(xié)議的長幀格式

由于HART總線是自動化儀器儀表中常用的工業(yè)總線，只要軟件嚴格按照協(xié)議幀格式進行組幀及其幀響應(yīng)處理便可實現(xiàn)通訊，文章不做贅述。然而本文闡述的基于USB總線型HART MODEM模塊是將USB總線與HART總線相融合的一款產(chǎn)品，這就要求軟件要解決兩方面的通訊問題。

3.1 HART協(xié)議命令幀的下發(fā)

微控制器STC89C51RD+會依據(jù)CH375芯片CS#、RD#、WR#、A0和INT#引腳狀態(tài)進行相應(yīng)程序處理。當模塊處于HART協(xié)議命令幀的下發(fā)接收狀態(tài)時，WR#為高電平且CS#、RD#和A0為低電平，CH375中的數(shù)據(jù)通過D7-D0輸出，同時微控制器應(yīng)用P0 I/O端口將CH375輸出的數(shù)據(jù)讀入，然后將讀入的數(shù)據(jù)通過串行總線MCU_TxD引腳傳送給DS8500的HART調(diào)制解調(diào)器芯片的D_IN端口，最終通過HARTOUT端發(fā)送FSK信號傳輸至現(xiàn)場的HART智能設(shè)備中。

3.2 HART協(xié)議響應(yīng)命令幀的上傳

HART智能設(shè)備收到PC機發(fā)來的HART協(xié)議命令幀后便做出相應(yīng)的協(xié)議命令響應(yīng)幀回傳給PC機。此時的協(xié)議命令響應(yīng)幀通過HARTIN端接收FSK信號，DS8500的HART調(diào)制解調(diào)器芯片將HARTIN端接收FSK信號通過D_OUT端口傳輸給微控制器STC89C51RD+的串行總線MCU_RxD引腳，然后微控制器控制RD#為高電平且CS#、WR#和A0為低電平狀態(tài)，并通過P0 I/O端口將協(xié)議命令響應(yīng)幀寫入到CH375的數(shù)據(jù)端口D7-D0，最終由CH375芯片通過USB總線將HART協(xié)議命令響應(yīng)幀數(shù)據(jù)回傳給PC機，完成并實現(xiàn)PC機通過本文提出的基于USB總線接口的HART MODEM模塊與工業(yè)現(xiàn)場HART 型智能設(shè)備之間的通訊過程。圖5為基于USB總線接口的HART MODEM模塊的軟件控制流程圖。

圖5 USB總線接口的HART MODEM軟件流程圖

4 USB總線型HART MODEM模塊測試與應(yīng)用

USB總線型HART MODEM模塊通常是用在帶HART總線協(xié)議的自動化儀器儀表上，所以它的工作環(huán)境也要符合工業(yè)級要求，即-40至85℃。USB總線型HART MODEM模塊研發(fā)完成后，將其放入高低溫烘箱中進行高低溫實驗，同時還要進行不間斷性的通訊測試，通常每500 ms發(fā)送一幀HART總線協(xié)議，在高低溫烘箱中要進行連續(xù)7天的不間斷性通訊和高低溫實驗測試，累計通訊次數(shù)1209600次，高低溫循環(huán)次數(shù)為7次。實際的研發(fā)成測試中，我們隨機選擇50臺USB總線型HART MODEM模塊進行了上述的高低溫下百萬次的通訊測試驗證，實驗結(jié)果：48臺無通訊錯誤，1臺1次錯誤通訊，1臺3次錯誤通訊。實驗結(jié)果表明，USB總線型HART MODEM模塊完全可以取代現(xiàn)有的同類產(chǎn)品，同時該模塊還大大降低了產(chǎn)品的成本，提高了產(chǎn)品的實用性和便攜性。表1為3種同類型HART MODEM的測試與應(yīng)用對比。

5 結(jié)束語

USB總線接口型HART MODEM模塊的軟硬件經(jīng)過反復(fù)的修改與調(diào)試，以及多次的實驗驗證了該模塊實現(xiàn)了在研期間提出的技術(shù)指標。經(jīng)實地的壓力變送器和溫度變送器應(yīng)用客戶的反饋信息得出該模塊的工作狀態(tài)和應(yīng)用指標與現(xiàn)有的串行總線接口型HART MODEM和傳統(tǒng)的HART手操器完全相同。因此，本文提出的基于USB總線接口型HART MODEM模塊可以取代現(xiàn)有的串行總線接口型HART MODEM和傳統(tǒng)的HART手操器，并解決了同類產(chǎn)品在工程實際的應(yīng)用中存在實用性、便攜性差和成本高的問題。這也為該模塊廣泛的推廣于自動化儀器儀表中的壓力變送器、溫度變送器、流量計、執(zhí)行器等領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

表1 3種類型HART MODEM的應(yīng)用對比

[1] Schulz,Rebecca,Mitchell,Leslie. HART Protocol: Practical digital communication tool for analog installations[J]. ISHN,2008, 42(9): 57-60.

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Development and Application of HART MODEM Module Based on USB Bus Interface

Tian Yingming

(Chongqing Chuanyi Automation Co.,Ltd.,Chongqing 401121,China)

At this stage HART bus communication has become the industry standard in the field of industrial automation instrument, but this HART MODEM which based on the serial bus interface has some problems in practical applications of the engineering,such as poor practicability, poor portability ,and high cost of purchase.Therefore, this paper puts forward a kind of research and application of HART MODEM module based on USB bus interface,its purpose is to replace the existing HART MODEM module which based on serial bus interface,at the same time solve the problems existing in the current module.In this paper the HART MODEM module based on USB bus interface uses the STC89C51RD microcontroller as the core,through the USB driver chip CH375A receiving the HART protocol frame from PC,while the protocol frame is forwarded to the HART bus instrument in the industrial field by DS8500 HART modem chip. Through experiment and application verification,the noise immunity and communication bit error rate of the module reaches the industrial product index,and widely used in automation instrument ,such as pressure transmitter, temperature transmitter, flowmeter, actuator, and other fields.

HART bus;serial bus ;HART MODEM;USB bus;microcontroller; protocol frame

2016-11-08；

2016-12-06。

國家863專項(2012AA041201)。

田英明(1979-)，男，重慶人，在讀博士，高工，主要從事計算機智能控制、工業(yè)自動化儀表及總線領(lǐng)域的研究工作。

1671-4598(2017)04-0216-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.059

TP273

A