引言
hart（highway addressable remote transducer，可寻址远程传感器高速通道）通信协议由美国rose-mount公司于20世纪80年代中期推出，之后又进行了修订和增补，作为开放标准由hart通信基金会hcf向*发布，主要用于现场智能仪表和控制室系统间进行数字通信。由于兼容传统的4～20ma模拟系统的hart通信协议具有诸多优点，发展至今，它已被世界上三分之二以上的现场设备所采用，成为智能工业控制领域事实上的标准。
在研制某智能现场仪表的过程中，使用单片hart调制解调器a5191hrt和数模转换器ad421设计实现了其中的hart协议远程通信模块，具有高精度、低功耗、低成本、工作可靠性高的优点。
hart协议简介
hart协议是一种兼容现行4～20ma模拟系统的过渡性现场总线标准，协议具备以下特点：在4～20ma模拟信号上叠加数字信号进行双向数字通信，兼容现行模拟体制；可同时进行点对点的4～20ma模拟和数字通信；可以使用多站方式进行通信；可传送被测变量、设备设置参数、设备检测结果等多种信息；开放的体系结构，任何厂商和用户都能够免费得到；数字响应时间为500ms，突发方式为300ms。hart协议参考iso/osi，采用它的简化三层模型结构，包括*层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。
物理层规定信号的传输方法、传输介质。hart协议为实现模拟通信和数字通信同时进行而互不干扰，采用基于bell202标准的fsk频移键控信号，在低频的4～20ma模拟信号上叠加音频数字信号进行双向数字通信。音频数字信号的幅度为0.5ma，数据传输率为1200bps，1200hz代表逻辑“1”，2200hz代表逻辑“0”，如图1所示。
由于fsk信号的平均值为0，所以不影响传送给控制系统的模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。图2所示为hart协议的数字和模拟信号叠加后同时传输的示意图。通信介质的选择视传输距离长短而定，采用双绞电缆传输时zui大传输距离可达1500m，线路总阻抗应在230～1100ω之间。
数据链路层规定hart协议帧的格式，实现建立、维护、终结链路通信的功能。hart协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪声或其他干扰引起的数据误码，实现数据无差错传送。hart协议信息帧的格式如表1所示。
现场仪表要执行hart指令，操作数必须合乎的大小。每个独立的字符包括：1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和1个停止位。由于数据的有无和长短不恒定，所以hart数据的长度也不一样，zui长的hart数据包含25字节。
应用层即为hart命令集，用于实现hart指令。命令分为三类，即通用命令、普通命令和命令。
hart协议通信中，主要的变量或控制信息一般由4～20ma传送，另外的诸多的测量数据、设备参数、校准信息、诊断信息等通过hart协议传输，采用半双工通信方式。
hart协议通信模块的硬件设计
某智能现场仪表要求使用4～20ma传统传送zui主要的一个测量结果，使用hart协议数字通信的方式和控制设备交换仪表设置参数、中间测量数据、校准参数等信息。所以hart协议通信模块需要完成测量结果的数字码到4～20ma模拟信号的da转换，以及上述诸多其他信息的hart协议数字通信。设计完成的hart通信模块结构框图如图3所示。
hart协议通信模块主要由hart调制解调器a5191hrt和d/a转换器ad421及其外围电路实现。其中，ad421通过串行接口接收现场仪表内部mcu传送的数字信号，转换成4～20ma电流输出，输出主要的测量结果。a5191hrt则接收叠加在4～20ma环路上的信号，对其带通滤波和放大之后进行载波检测，如果检测到fsk频移键控信号，则将1200hz的信号解调为“1”，2200hz信号解调为“0”，并通过串口通信传输给mcu，mcu接收命令帧并作相应的数据处理。之后，mcu产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号由a5191hrt调制成相应的1200hz和2200hz的fsk频移键控信号，并经过发送信号整形电路进行波形整形后，经ad421叠加在环路上发送。
a5191hrt是amisemiconductor公司推出的单片hart调制解调器，采用相位连续的fsk半双工工作方式，数据率为1200bps。a5191hrt内部集成了符合bell202标准的调制器、解调器、接收滤波器、发送信号整形电路、载波检测等电路，在+3.3v供电时工作电流330μa。由于a5191hrt的这些特点，使设计者使用较少的外部无源元件就能够构建满足hart协议物理层要求的电路。本设计中当a5191hrt接收时，从4～20ma环路上接收信号，经过带通滤波、放大整形后提取出fsk信号并解调为数字信号，传送给mcu；发送时，从mcu接收数据，进行调制和波形整形后耦合到ad421内部，通过ad421叠加到环路上。a5191hrt和mcu通过后者的通用串行通信接口连接。
ad421是adi公司推出的单片高性能数模转换器，主要由电压调整器、数模转换器和电流放大器组成。电压调整器由运放、带隙基准和外接fet调整管组成，能够从环路中获取电流，为ad421和其他器件提供3.0v、3.3v、或5.0v可选择的供电电压。数模转换器采用∑-δdac结构，将16位数字码转换为4～20ma模拟电流。数字码是通过和mcu的三线接口clock、data和latch从mcu串行输入。a5191hrt及其外围电路设计的原理图见图4所示。
其中，与mcu的通用串行收发模块uart的接口信号包括载波检测ocd、hart解调输出orxd、来自uart的hart调制输入itxd和请求发送inrts；loop+为4～20ma环路输入，经过外部电阻电容和a5191hrt内部电路完成接收信号的带通滤波和放大，用于解调；调制好的数据经过内部整形电路处理后由管脚otxa输出，通过电容耦合到ad421内部，然后叠加到环路上传输；hart调制解调的时钟信号源于外接的460.8khz晶体产生的振荡。ad421及其外围电路设计的原理图见图5所示。
其中loop+和loop-分别是电流环路的两个端口；从mcu输入dac的数字码是通过三线接口实现的，分别是时钟线clock、数据线data和锁存线latch。
hart协议通信模块的软件设计
hart协议通信模块的软件设计包括ad421的控制和hart通信协议的软件程序设计。前者较为简单，后者包括hart协议数据链路层和应用层的软件设计，是整个模块软件设计的主体和关键。
hart协议通信模块的通信过程首先由主机（上位机）发送命令帧发起，现场仪表作为从设备使用中断调用子程序的方法完成接收和应答。现场仪表在上电或看门狗复位后，主程序首先对hart协议通信模块进行初始化，例如设定uart的工作方式、串行通信波特率、数据帧格式、清通信缓冲区、开中断等，之后将其设置为等待状态。上位机发送命令时，a5191hrt的载波检测输出ocd变为低电平，触发uart中断，程序进入接收过程。mcu完成主机命令的接收、解释并执行相应的操作后，按一定格式生成应答帧并送入发送缓冲区，完成发送后再次将hart协议通信模块设置为等待状态。图6为hart协议通信模块接收主机帧、回复应答帧的程序流程图。
hart协议通信模块通过上图所示的中断调用子程序的方法，完成现场仪表和主机之间的通信，可以使主机完成对现场仪表的工作参数设置、测量结果读取、仪表检测等工作。
结论
实践证明，上述的hart协议通信模块的实现方法切实可行，具有电路设计简单、工作可靠性高的优点，具有很好的参考价值和实用性。hart技术在国外已经很成熟，并以其自身突出的优点而成为智能控制领域中应用zui广泛的现场通信协议，在今后的很长一段时期内，hart技术将在我国现场仪表的智能化改造和研制中发挥重要的作用。