本科论文--HART协议的智能电动执行机构的硬件设计.doc

学士学位论文摘要信息技术的高速发展,传统的测量和控制仪器已经远远不能满足现代工业的需要，这促使了各类设备向着高精度、高可靠性、自动化、多功能和智能化方向发展，现场总线技术和智能仪器正是在这种变革中发展起来的。现场总线技术是当前自动检测技术发展的热点，它具有开放、数字式和多点通信的底层控制网络。智能执行器是过程控制系统中必不可少的组成部分，直到九十年代，国内在智能化执行器方面的研究还处于空白状态，尤其是符合现场总线协议的智能执行器。在现场总线类型中，HART协议是属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性总线，其特点是既保持了420mA模拟信号的工业标准，同时又实现了以数字形式传输过程与变送器数据的功能。因此，HART产品在现阶段有较强的市场发展前景。HART协议是模拟系统向数字系统转变过程中唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在提供现场总线好处时，保留了对现有420mA系统的兼容性。本课题研究的是以HART协议规范为通信标准，以III型电动执行机为模型，完成了符合HART协议的智能电动执行机构的硬件设计。本文对HART协议作了较全面的分析，在理解HART协议的基础上，具体介绍了以单片机和HART通信为核心的智能变送器的基本组成与功能，阐述了HART通信功能的硬件工作原理和软件设计。以及基于MSP430运用上，做出了初步的解析。关键词：现场总线 ；智能变送器；HART协议 ；MSP430。ABSTRACTWith the rapid development of information technologies, traditional instruments are less satisfied with the modern industry need in the measurements, which has made kinds of instruments develop in higher precision, higher reliability, automation, multi-function and intelligence. The field bus has developed at the moment.Field bus is a hot topic in automatic detection field nowadays, which is an opening, digital and multidrop communication control network of low layer. Smart actuator is a necessary part of the process control system, and study of it has not been started until 1990s in our country, especially for the smart actuator conformed to the field bus. From the perspective of field bus, HART communication protocol is a kind of transitional product from analog system to digital system. The advantage of HART is that it can maintain the industry standard of analog signal (420mA) as well as can transmit data of the process by digital mode. Therefore, the products conformed to HART protocol have the better future in the market. 13The HART protocol provides a uniquely backward compatible solution for smart instrument communication as both 420mA analog and digital communication signals are transmitted simultaneously on the same wiring. HART provides many benefits by field bus, while remaining the compatibility and familiarity of existing 420mA systems. According to HART communication protocol and III actuator model, the study accomplishes the hardware design of the smart electric actuator. In this paper, HART protocol is illustrated. On the foundation of realizing the HART protocol, the intelligent transducer on the single-chip microcomputer and HART protocol is introduced concretely. The operational principles of hardware of the Processor are described.KEY WORDS：Field Bus；Temperature Transducer；HART Protocol；MSP430 目录1 绪论11.1 技术背景及国内外技术现状综述11.1.1过程仪表发展历史11.1.2国际、国内技术发展趋势21.1.3相关现场总线在我国的发展及运用分析21.2 目的和意义31.3 本文主要研究内容42 HART通信协议概述及其应用52.1 HART协议概述52.2 HART模型72.2.1 物理层技术规范72.2.2 数据链路层协议规范82.2.3 应用层协议规范92.2.4 各层间的功能关系92.3 HART的消息帧结构102.4 HART的操作命令133 HART协议温度变送器硬件设计173.1 系统整体设计方案173.2 通信模块183.2.1 HT2012的优良特性183.2.2 HT2012芯片的功能模块183.3 单片机接口223.3.1 MSP430与通信芯片HT2012223.3.2 MSP430与DA芯片AD421234 HART协议温度变送器软件设计244.1 MSP430与MC-51的说明244.2 软件设计思路264.3嵌入式任务分解设计304.3.1显示任务304.3.2按键扫描任务314.3.3 采集任务314.3.4 命令处理任务314.3.5 发送任务314.3.6接收任务314.4 程序编写314.4.1数据采集部分324.4.2 HART通信程序334.5 HART的拓展334.5.1HART协议的物理连接335 HART协议温度变送器的应用35结论37致谢38参考文献39附录A40附录B 英文原文46附录C 汉语翻译51 551 绪论1.1 技术背景及国内外技术现状综述1.1.1过程仪表发展历史上个世纪六十年代，过程仪表开始采用 4-20mADC信号标准，该信号的电动单元组合仪表目前仍是过程自动化的重要产品；上个世纪七十年代到八十年代，微处理器技术应用于工业自动化，分散控制系统（DCS）开始广泛应用，但传统的 DCS 系统在控制层或传感器层不构成数字通信网络，而现场仪表需采用4-20mA模拟信号传输的方式与控制室系统连接，DCS 系统缺少统一的标准，各供应商的产品不能兼容，系统是非开放的。因此，给用户带来许多不便，阻碍了 DCS 系统的推广应用。到上个世纪八十年代中期，国际市场上出现了基于微处理器的智能仪表，以微处理器为新的技术支持，将集成电路芯片及少量外围电路嵌装在现场仪表中，将传感器的模拟信号数字化，经过数据运算处理后，再送往计算机。这种方法大幅度地提高了信号转换精度和可靠性，并且数字信号的传输克服了模拟信号传输所存在的信号衰减、精度降低、干扰信号的引入等长期难以解决的问题。 随着控制技术、计算机技术、通信技术的飞速发展以及 CIMS（计算机集成制造系统）的发展需要，促使以现场总线网络为总体标志的现场总线的技术产生，并且迅速发展，推动着控制系统结构及自动化仪表迈进到现场总线控制系统和总线化仪表的一代。以往每台现场仪表用一对 4-20mA 传输线的传统方式被一对能传输多台现场仪表数字数据的现场总线方式所替代。现场总线简化了仪表信号线的布线，极大节约传输线的消耗。同时由于可以利用多种传输介质（如光纤、同轴线、双绞线等），从而提高了在不同现场条件下信号传输的适应性。从数字通信的角度，现场仪表与控制系统之间数据传输不再是单向的，而是双向的，这使得仪表具有更好的纠错能力，同时完善的纠错技术将大大降低信号传输的误差，提高了系统的控制精度。现场总线技术将自诊断和某些控制功能转移到现场仪表中，从而简化了控制系统的结构，进一步促进了仪表的智能化技术的提高，并提高了系统的可靠性、实时性。1.1.2国际、国内技术发展趋势现场总线以一种串行的数字数据通信链路的形式，在分布于生产及过程现场的基础控制设备之间以及与控制室里较高层的自动化控制设备之间建立联系。引入现场总线及相关技术，改变了 DCS 系统的结构体系，它是全分散式的和开放式的系统。目前，现场总线智能仪表和新型开放自动化系统，已经成为全世界范围自动化技术发展的热点。现场总线的智能仪表与传统的模拟仪表相比，具有许多新的特点，概括起来主要为： 仪表功能大为加强，实现了就地控制； 实现了双向通信，提高了精度； 操作更简单，使用更方便； 抗干扰能力更强，使用寿命更长； 布线容易，便于施工，可节约大量电缆，仪表盘和模数转换器，从而使系统低成本化；系统自诊断功能增强，维护更加容易。随着现场总线国际标准的完成，总线仪表已成仪表行业发展的必然趋势。世界各国基于现场总线的智能仪表的开发速度加快，符合 HART、FF等协议的各种现场总线智能仪表将大量推向市场，现场总线智能温度变送器等仪表已开始生产、应用，并进入国内市场，如 Smart 的TT301、Rouosemnt 的 644 等。现场总线网络处于企业信息网络的底层,是工业数据通信与控制网络的核心，是企业实现信息化管理的基础,它与工厂控制网络和企业经营管理网络所构成的开放网络系统，是工业过程控制领域的发展方向。1.1.3相关现场总线在我国的发展及运用分析在过去的十几年间，国际上出现了多种现场总线的标准及产品。目前，具有较大影响力的几个现场总线协议，包括 FF（基金会现场总线）、Profibus（西门子等支持）、WorldFIP（法国）、P-Net（丹麦）、CAN、LON works（Echelon 公司发布）、ASInet（由西门子，P+F 和Festo 等公司支持）、Control Net、Swift Net以及作为现场总线过渡性协议的 HART通信协议，并且成立了相应的国际性的现场总线组织。几乎每一种现场总线均有国际上大的控制设备制造集团作背景和支撑，因此，各种现场总线均有支持的现场仪表产品和相应的控制系统及其应用领域。它们在各自的运用领域具有各自的特点和明显的优势，迄今还不能称哪一种现场总线是最完美的，目前的实际情况是多种现场总线同时存在于同一控制系统中。8在我国，运用较广泛的现场总线包括：LON works、CAN、Profibus、FF 和 HART等。LON works 总线是 Echelon 公司推出的局部操作网络，主要运用于工业控制、楼宇、能源等领域；CAN 总线最初是BOSCH 为汽车监测、控制系统设计的，现在已运用在过程工业、机械工业、机械、机器人、数控机床等领域，上述两种协议都是将通信协议封装到芯片中，协议的实现较容易，但其功耗较大，在现场仪表特别是两线制总线供电仪表和有本安要求的仪表中实现极困难。Profibus 主要运用于加工制造、过程和楼宇自动化，在欧洲有极为广泛的运用，能实现总线供电和本安防爆。FF 协议是为适应自动化系统、特别是过程自动化系统在功能、环境与技术上的需要而专门设计的，在过程自动化领域得到广泛的支持和具有良好的发展前景。尽管 协议不是唯一的现场总线协议，但它无疑是最具影响力的现场总线国际标准。而保留了 4-20mA 模拟信号的 HART 协议，是模拟系统到现场总线的过渡性协议，在当前具有相当强的生命力，因为它对于现有系统的升级和扩展，以及在需要与模拟信号兼容的场合，是具有很强竞争力的实用技术。因此，国外一些知名仪表制造商首先推出的是基于 HART 协议的智能现场仪表。我国对现场总线技术和智能仪表的研究开发，比工业发达国家迟了近十年的时间。国外多种现场总线产品在国内展开激烈竞争，竞争的重点是应用工程；国内各行业的现场总线应用工程迅速发展；国内对现场总线产品的需求迅速增加，各行业都对适合自己现场总线进行了跟踪和探索，并已着手于自行研制工作。目前，我国的自动化仪表的技术水平，与国际先进水平相比差距颇大。现场总线技术及总线化仪表的研究开发，为我国追赶国际先进水平提供了一次难得的机遇。41.2 目的和意义 随着微处理技术的飞速发展以及现场总线技术的不断完善，现场总线产品以其完善的功能和突出的特点必将为市场所接受，现场总线温度变送器取代传统的温度变送器已成必然。但目前占主导地位的分散型控制系统（DCS）要转化为现场总线控制系统（FCS），仪表制造商和用户均需要一个过渡期。HART 协议作为过渡协议，具有极强的市场竞争能力和生命力。因为对制造商来说，根据 HART 协议的要求，对现有的模拟现场仪表进行智能化改造，在技术上是可行的，在经济上是节省开发投入的，在商品化所需时间上是较短的。对于用户来说，采用此类产品及改造的控制系统，技术上易于掌握，经济上有利于充分利用已有装备潜在价值。此外，FF 协议产品的全面运用，也尚需时日。首先开发采用 HART协议的智能温度变送器，推动国产HART智能温度变送器尽快投放市场，并为开发采用FF 协议的智能温度变送器及现场总线控制系统提供实践经验和赢得时间。HART 协议智能温度变送器的研制成功必将取得极好的社会效益和经济效益。现场总线国际标准刚刚完成，现场总线智能温度变送器的开发成功将为我们在技术上赶上发达国家技术水平提供可能，也能为我们在 WTO 框架下，产品竞争能力的提高提供有效的手段。同时也能为我国自动化领域提供最新的高技术产品，满足我国对现场总线产品的需求。1.3 本文主要研究内容 本文主要是围绕温度智能变送器的软件设计进行的。包括：核心芯片的选取，整个软件设计的思路，嵌入式任务分解设计，进行程序编写，如数据采集部分、通信程序。论文整体上分为五部分，具体如下：1、综述了智能型变送器、现场总线技术的形成和发展，还有他们各自的特点。2、详细介绍了HART通信协议及其应用，它的体系结构以及物理层、数据链路层、应用层的技术规范和各个层所完成的功能。3、论述了温度变送器的硬件原理。4、涉及到软件设计的思路及设计。5、论述了温度变送器的应用。最后是做完这个课题我对整个设计的体会和结论。2 HART通信协议概述及其应用2.1 HART协议概述 HART协议，即Highway Addressable Remote TransducerProtocol，可寻址远程传感器高速公路的简称，其定义一句话概括是在420mA的模拟信号上叠加FSK数字信号，可以传输模拟和数字两种信号。对于日益增加的智能化现场仪表的模拟-数字混合式通信来说，HART协议己经成为事实上的工业标准。HART通信不需要增加布线，可以通过现存的连线进行。由于允许模拟信号和数字信号的并存，所以当在数字通信上花费时间而增加测量延迟的时候，HART通信可以用模拟信号来实现控制。在纯数字通信的情况下，HART协议允许采用多点模式，即将多个现场仪表连接到一对导线上，通过智能仪表分别读取各个变送器的数据。很多年以来，传统4-20mA信号一直成为现场仪表信号传输的标准，在自动化设备之间信息通信受到了极大的限制，仅能得到与过程变量成正比的电流信号。而HART是将1200波特率的频移键控FSK信号加载在4-20mA的模拟信号上以进行通信，它的均值为0，并且这个FSK信号对模拟信号毫无影响，如图2.1所示。在纯数字通信中，HART最多可以允许加载15个现场设。HART协议为了在信号衰减的情况下继续通信而对接收器和发送器的灵敏性做了特别的规定，这样也减少了干扰和码间串扰的可能性。图2.1 HART数字通讯信号加在420mA模拟信号上HART协议的显著特性之一就是它可以同时进行模拟和数字两种通讯。许多年以来，设备使用的现场通讯标准是420mA模拟电流信号。在大多数应用中，它们用420mA之间的值成比例的来表示参数。而HART协议不仅传输过程参量，还利用模拟信号上叠加的数字信号来传输控制信息。这样，HART协议就可以支持大多数智能设备和大量存在的模拟设备。从图2.1中我们可以看到，HART协议使用Be11202频移键控标准，在420mA基础上叠加低电平的数字信号。数字FSK信号相位连续，这样就不会影响420mA的模拟信号。也就是说，数字FSK信号的平均值为0。图中的逻辑“1”由1200 Hz频率代表，逻辑“0”由2200 Hz代表，信息传输速率是1200波特率。 HART属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而，在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。HART协议提供相对较低的带宽和中等响应时间的通信，其典型应用包括远程过程变量查询、参数设定和对话。为满足工业过程对HART协议的日益需求，在1993年成立HART通讯基金会，它是一个独立的、非盈利机构。主要职责是制定、维护及升级HART协议的标准，登记注册会员、提供对应用HART技术在全球范围内的技术支持和培训。作为一个开放性协议，HART已成为智能仪表事实上的现场总线工业标准，并得到了广泛的应用。目前，世界上己有100多家公司采纳了这一协议，其中有许多著名的公司，如Rosement, Foxboro, Smar, ABB, Moore, Honeywell等等，共生产了近600种HART协议设备，几乎覆盖了所有种类的过程测量仪表和执行设备。11HART协议的优良特性表现在以下两个方面：(1)先进的通信协议随着工业现场总线的出现，各种支持现场总线的传输协议广泛的被用到工业生产的各个方面，HART协议是智能过程设备中采用的一种先进的通信技术，兼容模拟与数字信号的传输，现在，越来越多的智能设备的通信都采用HART协议。(2)适用于当今的独特的通信方式HART协议是一种过渡时期的协议，这个过渡时期是指由模拟向数字通信的转变时期，过去存在的大量的现存的模拟传输线路和设备不可能立即取消，而大量的数字化的仪器仪表又不断出现。HART协议为今天还大量存在的传统的模拟设备对今后数字设备的兼容性提出了独特的通信方案，这种方案确保了现存的基于模拟的电缆设备和电流控制策略还可以很好的应用于将来的数字设备。HART协议之所以适用于当今，是因为它在进行双向数字通信的同时传输420mA的模拟信号，数字通信提供了现场智能设备的需要，而420mA的模拟信号又支持着传统的仪器设备。HART协议独特的通信方式是基于对420mA模拟信号的充分考虑，向过程测量和控制设备提供了两种数字通信方式。它的应用包括远距离过程变量查询、过程数据的循环接入、参数设置和诊断。2.2 HART模型HART协议遵循ISO制定的OSI开放式系统互连参考模型，采用了OSI模型的第一层、第二层和第七层，即物理层、数据链路层和应用层。这样做的目的是为了使供管理用的信元的信头(如逻辑地址等额外的字节)最小，以达到控制所需的性能要求。HART通讯协议模型如表2.2所示。表2.2 HART协议层次OSI层次HART层次第七层应用层HART命令层第六层表示层未使用第五层会话层第四层传输层第三层网络层第二层数据链路层HART协议规则第一层物理层Bell 202 FSK2.2.1 物理层技术规范 物理层规定了信号的传输方法、信号电平、设备阻抗和传输介质。HART信号传输是基于Bell 202通信标准，采用FSK方法，数字信号的传送波特率设定为1200bps，数字信号的“0”和“1”分别用2200Hz和1200Hz的正弦波表示，这些频率的正弦波叠加在模拟信号上一起传送。如图2.3,由于正弦信号的平均值为0，对模拟信号不会产生任何影响。通常采用双绞同轴电缆作为传输介质，单台距离可达3000m，而多台互连最大传输距离可达15OOm。图2.3 HART调制频率信号 BELL202标准是电话线上进行数字通信的标准，这样似乎就可以利用电话线来发送数字信号，HART信号的调制解调也就可以采用一些满足BELL202标准集成电路芯片来实现。此时似乎让我们对HART调制解调部分的设计变为不必要。其实，HART和BELL202对阻抗和信号水平的规定都是不同的。对HART信号的调制解调要使用专门的调制解调器芯片来满足其低功耗的需要。 HART协议规定主机(单主机控制系统或手操机通讯系统)传输的是电压信号，而副设备传输的是电流信号。通常的二线传输的是用于控制环路的电流，通过一些控制系统来抽样，进行模拟数字信号的转化，这个转化要求不能影响现存的HART信号。 经过环路负载电阻，电流信号转化为相应的电压信号，于是所有设备使用的就是感应电压接收电路，这一点对于后面接口电路的设计很重要。主机传输信号的峰-峰值:最低为400mV，最高为600mV；副机传输信号的峰-峰值:最低为0.8mA，最高为1.2mA；加载到230的电阻上转化成的电压信号的最低值为184mV，加载到1100的电阻上转化成的电压信号的最低值为1320mV；正确接收时的接受器的灵敏度(限定了信号由于线缆和其他部分影响产生的衰减)为120mV2.OV，接收限(规定的是外部信号干扰和其他非HART信号穿越HART信号的连接线路带来的信号下降)有80mV。从控制系统到阀门处的输出电路传输的信号水平相同，与前面不同的是副设备传输的也是电压信号，这样场设备的阻抗就形成了环路负载电阻。122.2.2 数据链路层协议规范 在HART的数据链路层中规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能，HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制(ARQ)，消除由于线路噪音或其它干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。数据链路层协议规范的目的是建立一种与现场仪表等从设备间的可靠的双向数字通信通道。数据链路层中的数据结构长度不固定，最长25个字节，寻址范围015，当地址为0时，则处于420mA的DC与数字通信兼容状态;当地址为115时，则处于全数字通信状态，通信模式为“主/从式”或“广播式”。 HART协议把所有的设备分为3类:从设备、突发设备和主设备。从设备是最普遍与最基本的设备类型，它接收和提供带有测量值或其他数据的数字信号，现场智能仪表一般为从设备。突发模式设备在固定的时间间隔发出带有测量值或其它数据的数字信号响应，而不包含被特别请求的数据，该设备通常是作为一个独立广播的设备。主设备负责初始化、控制和终止与从设备或突发设备的交互。主设备又分为第一主设备和第二主设备，第一主设备通常是指控制系统，第二级主设备指HART设备的手持器。 HART协议还可以在一根双绞线上以全数字的方式通信。一个链路上可支持15个短地址从设备，若使用长地址，设备数可不受限制，它只取决于所要求的通信链路上的查询速率。2.2.3 应用层协议规范HART协议的应用层以命令的格式提供编程接口，所有的读写操作都是以命令的形式完成。另外，链路管理等协议本身一些功能也由命令来实现。 HART协议的每个命令由命令号完全标识。在通信时，一条命令按命令格式组装成一个完整的HART协议帧，然后一次发送出去。数据链路层规定了HART帧的格式，但是数据链路层并不解释HART帧中的数据段的含义，这个工作由HART协议的应用层来完成。应用层规定了HART消息包中的3类命令，第一类是通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品，为符合HART协议的设备提供功能描述；第二类是普通命令，适用于遵守HART协议的大部分产品，当设备独具有某些功能时，该命令用于对这些功能的描述；第三类是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品，提供一些特殊的功能描述命令。HART协议是一个开放的协议，对于厂家生产的具有特殊功能的产品，HART还提供了设备描述语言DDL(Device Description Language)以确保互操作性。2.2.4 各层间的功能关系物理层的基本任务是为数据传输提供合格的物理信号波形，且直接与传输介质连接。物理层作为电气接口，一方面接受来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用:另一方面把来自总线传输媒体的物理信号转换为信息送往数据链路层，起到接收器的作用，当它收到来自数据链路层的数据信息时，需按照HART协议规范对数据帧加上前导码与定界符等，并对其实行数据编码，再经过发送驱动器，把所产生的物理信号传送到总线的传输媒体上。另一方面，它又从总线上接收来自其他设备的物理信号，对其去除前导码、定界符，并进行解码，把数据信息送往数据链路层。而数据链路层规定了物理层和应用层之间的接口，该层还控制对传输介质的访问，决定是否可以访问、何时访问。2.3 HART的消息帧结构 HART帧以8位为一字节进行编码，对每一字节加上起始位，奇/偶校验位及1位停止位共11位传送，保证了对每个字节进行数据传输同步。从图2.4中我们可以看出一个比特序列的完整的特性，图中最先发送的是DO。D0D1D2D3D4D5D6D7P1起始位8位数据D0最先传送奇偶校验位停止位0图2.4 传输流格式图2.5是8位数据加奇偶效验位的格式。进一步深入HART，涉及到HART消息的结构。每个消息包括它的源和目的地址以确保消息传送到正确的位置，还有校验位用于确保数据的正确、完备和通讯状态的正常。消息中的数据位可有可无，另外还有一些特殊的命令消息。一般的消息帧结构可以用图2.5表示。图2.5 HART消息结构从图2.5可以看到一般的消息帧结构包括序言位、起始特征位、地址位、位计数和校验位等。 HART5.O以前版本的设备一般采用“短结构”，单一的现场设备如果只利用420mA电流信号进行测量时，从设备的地址都是0；否则，对于多设备而言，从设备的地址是从115，这种短结构的地址采用随机的方法，随机分配115中的一个。HART5.0版本推出了“长结构”，这种格式的从设备地址具有独一无二性，如同每个网卡中物理地址一样，全世界范围内都没有重复，一般占5个地址字节中的38位。这38位地址信息包含了生产厂家的代码、设备型号码和设备识别码。这种格式减少了误传输和误接收的可能性。现在大多数主机设备既支持长结构又兼容短结构，当从机的应答信号中没有“唯一”性标识码时，HART5.0及其以上的版木提供的0号命令，就可以用于短帧中的设备地址识别。也就是说，主机将根据应答信号中是否具有“唯一”标识码来决定结构格式为“长”还是“短”。下面详细介绍消息帧的每一位：PREAMBLE:导言字节，一般是520个FF十六进制字节。它实际上是同步信号，各通讯设备可以据此略做调整，保证信息的同步。例如，在开始通讯的时候，如果使用的是20个FF导言，从机应答0信号时将告之主机它“希望”接收几个字节的导言，另外主机也可以用59号命令告诉从机应答时应用几位导言。START:起始字节，它将告之使用的结构为“长”还是“短”、消息源、是否是广播模式消息。根据消息结构的不同，发送消息源的不同，模式的不同，它具有几个可能值，消息是由主机到从机，并且为短结构时，起始位值为02;长结构时为82。消息是由从机到主机的短结构值为06;长结构值为86。而为广播模式传送消息的短结构值为O1，长结构为81。实际上就是通过起始字节中的0,1,2和7位的不同进行区分，今后还期望用起始字节中的5和6来设置地址和命令字节间是否出现额外位，当然这还没有被HART通讯委员会通过。一般设备进行通讯接收到两个FF字节后，就将侦听起始位。 ADDR:地址字节，它包含了主机地址和从机地址，如前所述，短结构中占1个字节，长结构中占5个字节。无论是采用长结构还是短结构打包，因为HART协议中允许两个主机存在，所以要用首字节的最高位来进行区分，值为1表示第一主机地址，第二主机用0表示。广播模式是特例，首字节的最高位为0,1的值将交替出现，也就是说，在一该模式下，赋予两个主机的机会均等。次高位为1表示为广播模式，短结构(见图2.6 )用首字节的03位表示值为015的从机地址，第4, 5位赋0;而长结构用后6位表示从机的生产厂商的代码，第二个字节表示从机设备型号代码，后35字节表示从机的设备序列号，构成“唯一”标志码。长结构如图2.7所示:图2.6 短帧地址结构图2.7 长帧地址结构 另外，长结构的低38位如果都是0的话表示的是广播地址，即消息发送给所有的设备。 COM:命令字节，它的范围为253个，用HEX的0FD表示。31, 127,254, 255为预留值。 BCNT:数据总长度，它的值表示的是BCNT下一个字节到最后(不包括校验字节)的字节数。接收设备用它可以鉴别出校验字节，也可以知道消息的结束。因为规定数据最多为25个字节，所以它的值是从0到27。 STATUS:状态字节，它也叫做“响应码”，顾名思义，它只存在于从机响应主机消息的时候，用2个字节表示，这两个字节覆盖了三种类型的信息:通讯中的错误、接收命令的状态(如：设备忙；无法识别命令等)和从机的操作状态。如果在通讯过程中发现了错误，首字节的最高位(第7位)将置1，其余的7位将汇报出错误的细节，而第2个字节全为O。否则，当首字节的最高位为0时，表示通讯正常，其余的7位表示命令响应情况，第2个字节表示场设备状态的信息。 UART发现的通讯错误一般有:奇偶校验、溢出和结构错误等。命令响应码可以有128个，表示错误和警告，他们可以是单一的意义，也可以有多种意义，通过特殊命令进行定义、规定。场设备的状态包括错误情况和非正常操作模式或情况而不必是错误的设备。对这个字节的分析是后而进行报警设计和操作的基础，电路会根据不同的状态字节的含义采取不同的动作。命令响应码(0127的整数表示)分为错误或者警告，具有单一的意义或者多重意义。表2.8就给出了每一类型的范围。表2.8 响应命令范围错误警告单意1-7、16-23、32-6424-27、96-111多意9-13、15、28、29、65-958、14、30、31、112-127许多设备提供的状态信息可以编码成一条字节。设备状态字节的第4位可以设置是否命令“可用多意”；48号命令可以读额外的信息，而对48号命令的响应可以自定义，自HART5.0版本后6到13号有不同的意义，包括操作模式(未定义的)和复合模拟输出的状态，其余的可以自由支配。(注:8号和14号码是“警告”类，其余的是“错误”）。 DATA:数据字节，首先我想说明的是并非所有的命令和响应都包含数据字节，它最多不超过25个字节(随着通讯速度的提高，正在要求放宽这一标准)。数据的形式可以是无符号的整数(可以是8, 16, 24, 32位)，浮点数(用IEEE754单精浮点格式)或ASC字符串，还有预先制定的单位数据列表。具体的数据个数根据不同的命令而定。CHK:奇偶校验，方式是纵向奇偶校验，从起始字节开始到奇偶校验前一个字节为止。另外，每一个字节都有1位的校验位，这两者的结合可以检测出3位的突发错误。 通常情况下，在应答模式(主/从模式)下1秒钟可以进行两次通讯，在广播模式下，每秒钟可以传送3条消息。 数据链路层服务过程中，Hart协议采用类似“令牌”方式访问通讯链路，它不是在通讯链路上循环转发令牌，只有得到令牌的站点可以访问链路，而是采用设定定时器时间常数保证所挂设备能够访问链路。通常Hart协议按主/从方式通讯，通讯由主设备发起，从设备先“听”后“答”，第一主设备和第二主设备以相同的优先权轮流访问通讯链路，但设定了不同的定时时间常数以防止“死锁”，避免两个主设备同时访问链路。当某一主设备通讯结束后，需要首先侦听载波，等待一段时间以确保另一主设备能够访问通讯链路，若链路上有载波存在，该主设备放弃使用链路;若定时时间溢出，该主设备可以继续访问通讯链路。当通讯链路上存在阵发设备时，一主设备只有阵发设备阵发给另一主设备通讯结束之后，方可访问通讯链路。HART协议把阵发功能作为现场仪表的一种可选功能。2.4 HART的操作命令操作命令处于应用层，包括通用命令、普通命令和特殊命令。通用命令的范围从030，它提供给所有的面向HART协议的设备，表2.9中只给出了部分通用命令的含义。详细的介绍需要查询专门的资料，另外，还可以比较早期版本和现在的不同。表2.9 通用命令摘要命令功能0、11设备识别（厂商、设备类型、版本）1、2、3读测量值6置随选地址12、13、17、18读、写用户输入文本信息14、15读设备信息（传感序列号，传感限，报警操作，范围，传输结构）16、19读、写最终装配号普通命令的范围是从32到126。它提供了大多数设备的功能命令，表2.10给出了部分普通命令的含义。表2.10 普通命令摘要33、61、110读测量值3437、44、47设置操作变量（范围、时限、PV值、传输功能）38复位“结构变化”标志39EPROM控制4042对话功能（固定电流模式，自测，复位）43、45、46模拟输入，输出整流48读驸设备的状态49写传感器序列号5056用传输变量57、58单元信息（标志、描述、数据）59写所需导言号60、6270使用复合模拟输出107109突发模式控制普通命令中的123和126号命令并非“公共”的，他们专用于生产厂家在生产设备时输入的设备的特殊信息，一般是用户不会改动的，像设备识别号之类。也可以用于直接读、写存储器。特殊命令的范围是从128到253，它提供给现场设备专用的功能。早先，因为HART设备的地址并非独一无二，因此，设备特殊命令常常将设备型号码作为数据中的第1个字节，以保证命令传输给“正确”的设备。在HART5.0版本之后，由于唯一标识码的使用，就省略掉了这步骤。HART协议通信命令共分为三类：通用命令、普通应用命令和特殊命令，其中，通用命令和普通应用命令合称标准命令。 (1)通用命令 第一类命令为通用命令对所有符合 HART 协议的现场设备都适用。通用命令主要包括 ： 读出制造厂及产品型号； 读出主变量及单位； 读出电流的输出及百分比输出； 读出最多4个预先定义的动态变量名 ； 读出或写入8个字符的标牌号,16个字符的描述内容以及日期等 ； 读出或写入32个字符的信息； 读出变送器的量程、单位以及阻尼时间常数 ； 读出传感器串联数目及其限制 ； 读出或写入最后组装数目； 写入轮循地址等。(2)普通命令 第二类命令为普通命令，适用于大部分符合HA RT 协议的产品，但不同公司的HART 产品可能会有少量区别，如写主变量单位、微调 DA 的零点和增益等 。普通命令主要包括 ： 读出最多 4个 动态变量的选择 ； 写入阻尼时间常数 ； 写入变送器量程 ； 标定(设置零点和量程 )； 完成自检 ； 完成 主设 备复位 ； 微调 主变量零 点 ； 写入主变量 单位 ； 微调 DA 的零点和增益 ； 写入变送类型 (开方线性 )； 写入传感器串联数目； 读出或写入动态变量赋值等 。 以上两类命令的规定使符合HART协议的产品具有一定的互换性 。通常说的 HART协议产品的兼容就是指在这两类命令上的兼容 。(3)特殊命令 第三类命令为变送器特殊命令，仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令，如整机的标定、微调传感头校正等 ，这些命令不能互相兼容。特殊命令主要包括 ： 线性标定 ； 温度标定 ； 读出或写入开方小信号切除值 ； 启动、停止或清除累积器 ； 选择主变量(质量流量或密度 )； 读出或写入组态信息资料 ； 微调传感器的标定等。3 HART协议温度变送器硬件设计3.1 系统整体设计方案温度传感器模拟开关（CD4051）单片机MSP430D/A转换器(AD421)通信系统(HT2012)420mA回路滤波电 路整形电 路图3.1 智能变送器的硬件框图10如图3.1，本设计的采用模块化设计，整个过程包括5个部分：电源模块、传感器模块、单片机430模块、D/A转化模块、HART通信模块。智能变送器种类繁多，所涉及的领域十分广阔，而且技术更新也层出不穷，结构设计各有千秋。该变送器可以完成多个参数（如温度、湿度等）检测，采用抗干扰能力强，通信速率高，传送数据精度高的HART协议模块电路完成变送器的数据输出，它既有RS-485总线通信的抗干扰能力强的特点，又具有变送器输出信号为二线制420mA的工业标准。5作为硬件电路的总体设计，要考虑到整个电路的功耗要求，为兼容(420)mA现行标准，HART协议智能变送器必须可工作在(420)mA两线回路中。这就意味可用来为变送器供电的电流不能超过4mA。在实际应用中，为兼容数字与模拟两信号，通常将数据频率信号通过V/I转换电路的调整管，转换为幅度为0.5mA的频率信号，叠加在两线的(420)mA电流环上(2200H，表示“0”,1200Hz表示“1”)。由于对特性，此信号的平均值为0。因此模拟和数字两种信号互不干扰。但环路上电流瞬时最大值I=4.5mA,最小值I=3.5mA，如果向变送器供电过多，超过3.5mA，将导致数字信号负半周失真。考虑到调节量所需的余量，要求对变送器供电电流一般不超过3.4mA为好。1总之，硬件电路要力求简化，在选择各芯片时，要注意到芯片间的匹配问题，否则将导致连接电路过于复杂，这是不可取的，而且这也会使成本上升和干扰信号增多，且功耗变高。下面我们将具体介绍各个芯片的特征和功能，以期它们与硬件电路总体设计思想相吻合。33.2 通信模块通信模块是本设计的一个重点。SMAR公司生产的一款HART信号调制解调专用芯片HT2012是一款符合Be11202标准的单片COMS低功耗FSK调制解调器，同类产品还有HT2013,SYM20C15等。3.2.1 HT2012的优良特性作为HART调制解调芯片，HT2012性能优良。 1、首先，HT2012是一款单片CMOS，满足BELL202标准的FSK解调芯片。 HT2012的标准频率是1200Hz和2200Hz，也就是说它将1200Hz频率的信号解调为逻辑“1”，2200Hz解调为逻辑“0”。“1”的表示电平为2.4V到Vdd-0.3V之间，“0”的表示电平为0.4V。它的传输率为1200bps，半双工操作。2、其次，它采用单一的3-5V电源供电，功耗很低，一般为40uA。它能够提供载波监听功能。能够满足HART物理层的要求，并且TTL与CMOS 兼容。在过程控制仪器和其他低功耗设备中提供HART通信协议。3、另外，HT2012需要外部提供460.8kHz的时钟。工业温度范围-40 85 。现在HT2012的封装有16脚的DIP与28脚PLCC两种。HT2012虽然性能优良，但是它的内部并没有整形部分和大部分的接收处理部分，而Symbios公司的20C15 HART调制解调芯片内部就具有这些功能，但是考虑到价格因素，还是选用HT2012来完成HART信号的调制解调等功能。93.2.2 HT2012芯片的功能模块HT2012的主要功能可以划分为4个模块:时钟模块、解调器模块、调制器模块、载体检测模块。图3.2给出的是HT2012中所有的功能模块和它们之间的控制关系。图3.2 HT2012功能模块1、 时钟模块该模块接受外部输入的460.8kHz时钟信号，用于建立内部时钟信号。 这一频率比其他类型MODEM的时钟频率低的多，从而大大降低功耗，同时当某一模块不工作时，则该模块的时钟被关闭，进一步降低功耗以满足低功耗的要求。正常使用时，在内部会产生19.2kHz，从2脚输出供外部电路使用。由于460.8kHz晶振不易购得，故采用市面上常见的1.8432MHz的晶振模块，通过CD4040B进行4分频产生460.8kHz的频率，1.843