深度剖析HART协议的原理和应用(1)(2)

二､现场仪表HART协议远程通讯硬件设计

某现场仪表的HART协议部分重要完成数字信号到模拟电流信号的转换,并实现对重要变量和测量､历程参数､设备组态､校准及诊断信息的访问｡图2是HART协议通讯模块构造设计框图｡

HART通讯部分重要由D/A转换和Bell202 MODEM及其从属电路来实现｡其中,D/A变换作用是直接将数字信号转换成4mA~20mA电流输出,以输出重要的变量｡Bell202 MODEM及其从属电路的作用是对叠加在4mA~20mA环路上的信号进行带通滤波放大后,HART通讯单元如果检测到FSK频移键控信号,则由Bell202 MODEM将1200Hz的信号解调为“1",2200Hz信号解调为“0"的数字信号,通过串口通讯交MCU,MCU接受命令帧,作相应的数据处理｡然后,MCU产生要发回的应答帧,应答帧的数字信号由MODEM调制成相应的1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号,波形整形后,经AD421叠加在环路上发出｡

D/A变换器采纳AD421,它是美国ADI公司推出的一种单片高性能数模转换器,由环路供电,16位数字信号以串行法子输入,可以将数字信号直接转换成4mA~20mA电流输出｡它提供了高精度､全集成､低功耗的解决规划,采纳16引脚DIP､TSSOP､SOIC封装,可实现低成本的远程智能工业节制｡AD421包括串行输入16位 D/A(数字/电流 )转换,除自身用电外,还提供可选择的(5V,3.3 V或 3 V)稳压输出供变送器其他部分用电｡

HART MODEM采纳 Smar公司的 HT2012,是符合Bell202标准的半双工调制解调器,实现HART协议规定的数字通讯的编码或译码｡该芯片专为 HART仪器设计,片内集成了符合 BELL202标准的调制器､解调器､时钟及定时电路､检测节制电路｡性价比较高,16脚 DIP和28脚PLCC封装,在+5V供电时工作电流80μA｡HT2012与微节制器交换数字信号,同AD421作模拟信号接口｡它一方面与MCU的异步串行通讯口进行串行通讯,一方面将输入的不归零的数字信号调制成FSK信号,再经AD421叠加在4mA~20mA的回路上输出,或者将回路信号经带通滤波､放大整形后取出FSK信号解调为数字信号,从而实现HART通讯｡

对于HART MODEM所需要的输入时钟,采纳7.3728MHz的晶振通过两个计数器74LS161进行两次4分频,得到16分频的时钟｡

由于HART数字通讯的要求,有0.5mA的正弦波电流信号叠加在4mA电流上,因此全部硬件电路必需保证在3.5mA以下还能正常工作,因此实现体系的低功耗设计非常重要｡

图3和图4分别是采纳的AD421和HT2012的外围电路图｡