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HART协议通信接口设计

2015/06/30 阅读:

1通信接口硬件设计

CPU的选择方面,选用ADI公司专为要求低功耗工作的电池供电应用而推出的超低功耗精密模拟微控制器ADuCM361。工作电压为1.8V~3.6V,最低耗电电流4μA。内部集成了8通道24位ADC、可编程增益仪表放大器、精密带隙基准电压源、可编程电流源、灵活的多路复用器以及其它许多特性,省去了传统单片机系统外围信号放大、AD转换等常用电路,提高了系统集成度降低了功耗。ADuCM361内核为32位低功耗ARMCortex-M3处理器。内部集成128k字节非易失性flash/EE存储器、8k字节SRAM,以及一个支持有线(2xSPI、UART、)通信外设的11通道DMA控制器。HART变送器所有数字功能均由该处理器提供,灵活的时钟源可使器件的功耗达到最低,5种低功耗工作模式可以通过程序控制任意配置,并且一个中断事件可将系统从各种工作模式中迅速唤醒。由ADuCM361、AD5421和AD5700构成的HART物理层具体电路图如图2所示。AD5700与ADuCM361的UART通用串行接口信号包括来自UART的HART调制输入TXD、HART解调输出RXD、请求发送RTS————和载波检测CD;Loop+、Loop-分别接4mA-20mA电流环的正负;HART输出引脚HART_OUT通过容性分压器0.068μF/0.22μF调整至所需幅度,并耦合至AD5421的CIN引脚,然后与DAC输出,一同驱动和调制输出电流;被耦合到LOOP+端的HART信号通过一个简单的有源RC滤波器输入到AD5700的ADC_IP引脚;DVDD为AD5421对外部提供的3.3V供电电压;AD5700通过一个RC滤波器(470Ω/1μF)供电,防止AD5700的电流噪声与4mA-20mA环路输出进行耦合;HART调制解调器的时钟由与XTAL1和XTAL2引脚直接相连的3.6864MHz外部晶振产生。

2HART协议通信软件设计

HART通信接口的软件设计包括AD5421的控制程序和HART协议通信程序。AD5421的控制程序主要是对环路电流4mA-20mA输出的控制和系统供电电压+3.3V输出的控制,较为简单。HART协议通信程序即为HART协议数据链路层和应用层的软件实现。HART协议通信遵从主从方式半双工通信,变送器作为从设备,除了处于突发模式外,只有在接收到主设备(上位机或手操器)发来的命令后才会作出应答。为了能及时接收到主设备发送的命令而又不影响主程序的正常运行,HART协议通信程序主要由串口接收发送中断实现。变送器在上电或看门狗复位后,首先主程序对HART协议通信部分进行初始化配置,包括设定ADuCM361内部UART模块工作方式、串行通信波特率、数据帧格式、清通信缓冲区、中断等,之后将其设置为等待状态,等待状态下,一旦上位机有命令发来,AD5700的载波检测口CD变为高电平,触发中断,启动接收并关闭载波检测中断,程序进入接收部分。命令帧数据接收完毕,经ADuCM361做出相应处理后,把要发回的应答帧内容放入通信缓冲区中,触发中断,进入发送程序,发回应答帧,由此完成一次命令的交换,然后再次进入等待状态,等待下一条主机命令。HART协议通信接口通过图3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、仪表状态检测等工作。

3应用效果

图4所示为HART变送器连线图,采样电阻RL(取值300Ω)串接于4mA-20mA回路中,将电流信号和HART信号转换为电压信号,通过RS232HART转换器与上位机通信。上位机软件采用第三方HART通信软件,测试结果表明可进行点对点HART通信,并能实现所支持的各条HART命令,在4mA-20mAHART总线上再接入一块第三方的HART涡轮流量计,也能正确进行多点HART通信,完全达到了HART协议技术要求。

4结束语

由AD5700和AD5421构建的HART通信接口具有通用性,完全符合HART协议,软硬件稍加更改即可用于其他压力、温度、流量等变送器,可移植性强,可靠性高。由于HART通信协议特有的优势,已成为智能控制领域中应用最广泛的现场通信协议,在今后很长一段时期内,HART协议产品在国内具有十分辽阔的市场。

作者:张燕 沈昱明 单位:上海理工大学光电信息与计算机工程学院

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