作者：郑晓蒙
基于智能流量仪表的HART通信模块的设计内容简介。
随着近年现场总线技术和微电子技术的迅速发展，基于微处理器的传感器、变送器以及流量仪表大量涌现，全数字系统取代模拟系统已是大势所趋，因而智能仪表的数字化也是必然所致。到目前为止，智能变送器已经广泛使用，基于HART协议的智能仪表也不断涌现。在我国，大量使用的还是模拟变送器、模拟仪表，控制系统大都是模拟控制系统，并使用4 -20 mA的电流信号进行信息传输和控制。经过数十年的发展，HART协议已经相当完善并得到广泛的应用，它被认为是智能仪表数字通信“事实上”的工业标准，因此，研制和开发符合协议的智能仪表具有极大的发展潜力及市场前景。
1 HART协议简介
1.1HART协议产生背景
20世纪70年代中期，工业过程控制发展成为统一的两线制4 -20 mA标准信号，使工业过程控制得到了很大程度的发展。到了80年代，随着微电子学的发展以及微处理器的产生，使得大量含有微处理器的智能变送器、控制器和集散系统得到广泛的应用。然而需要传输的信息也大量增加，这使得传统的4 - 20 mA两线制传输已无法满足工业要求，于是HART协议应运而生。HART协议在不需改变现有线路的条件下，可以实现数字信号的传输。虽然HART协议只是一种过渡性的协议，但是经过数十年的发展，已经相当完善，现在HART协议在仪表通信上的使用已经十分普遍。
1.2 HART协议模型
HART通信协议采用了OSI通信协议参考模型中的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层，省略了中间各层。HART协议的分层结构见表1。
其中HART协议物理层规范主要规定了连接物理媒体网络接口的机械、电气、功能和过程方面的特性。数据链路层规范规定了通信数据的结构、通信模式、用户接口以及错误检测方式等。应用层规范规定了HART协议通信的内容。在HART协议中规定了对等实体之间的通信规则，并通过上下层之间的接口服务来实现HART通信。通过这样的模式，可以在上位机与现场设备之间建立通信连接。
HART协议在物理层使用了Bell202标准的频移键控( FSK)信号，在4- 20 mA信号过程测量模拟信号上叠加了低电平的数字信号。数字FSK信号相位连续，平均值为O，不影响4 - 20 mA模拟信号，从而使模拟信号和数字双向通信能同时进行，而不相互干扰。逻辑“1”由一个周期的1 200 Hz频率代表，逻辑“0”由近似两个周期的2 200 Hz代表，如图1所示。
2基于流量仪表的HART通信模块的硬件设计
在HART协议的通信中，电流环路上传送的是以FSK方式调制的正弦波信号。为了能够用单片机处理HART帧，在接收时需要将电流环路上传送的正弦波信号解调成单片机能够识别的NRZ码；在发送时需要将单片机端口发送的NRZ码调制成符合HART协议物理层规范要求的1 200 Hz和2 200 Hz的正弦波信号。作为前端的重要部分，调制解调模块的功能实现对于整个系统的正常工作起着至关重要的作用。综合考虑功能，价格及功耗等多方面的要求，在本设计中选用了专用的HART协议调制解调芯片——美国SMAR公司的HT2015芯片。HT2015硬件电路如图2所示。
3基于流量仪表的HART通信模块的软件设计
3.1 软件程序总体结构
本程序在通过硬件实现HART协议物理层结构的基础上，通过对STM32的连接来实现HART协议数据链路层和应用层的功能。整个程序运行分为三个状态：接收状态、发送状态、解析封装状态。图3为HART通信模块软件设计状态转换图。
3.2主程序设计
在主程序中刚开始是做一些初始化的工作，如时钟的初始化、I/O的初始化、定时器的初始化、串口的初始化；然后进入while循环，在循环里面判断是否接收到有效帧，如果没有接收到有效的帧，则继续循环，如果接收到有效的帧，则调用解析封装程序和启动帧发送中断，将响应帧发送给上位机，这样就表示一次通信的结束。HART通信模块程序设计流程图如图4所示。程序运行时，先进行软硬件初始化，初始化完成后，进入主循环，如果为空闲状态则继续循环；如果串口在接收数据，则进入接收状态，继续循环，串口数据接收完成后，进入帧解析封装状态，帧封装完成后进入发送状态，待数据全部发送给上位机，则再次进入空闲状态。
4系统调试
目前工业上所使用的大多数智能仪表几乎都带有HART协议通信功能，它是过程工业中使用最广泛的通信协议，而HART手操器仅通过两根4- 20 mA调制线就能方便的与具有HART接口的设备进行通信，加上它的直观性和高效性，可进一步查询智能仪表的故障信息，且大大减少处理问题的时间和繁琐程序，所以HART手操器是在检定变送器中必不可少的设备之一。
手操器是自动化仪表的辅助单元。它的主要用途是与不带手动操作装置的调节器配合使用，实现从自动到手动或手动到自动的无扰动切换；也可在调节器出故障时或系统投运时，利用它对调节器的负载进行手动遥控。它的工作原理是：当调节器由自动切换到手动以后，自动电流就不通过负载，改变手操器的输出电流，负载电流相应改变，同时向调节器提供手动电流，用以调节器跟踪手操器，做到无扰切换。
HART手操器与HART通信模块的连接十分简单，只要将HART通信模块的两根HART线与HART手操器的两根引出线相连即可。连接电路图如图5所示。
本文采用迪元仪表公司生产的电磁流量计进行试验，其中集成了HART通信模块。HART通信模块与手操器连接成功时，手操器显示屏上的画面如图6所示，由于是在离线状态下测试，故没有流量信息显示。
5总结
本文完成了基于流量仪表的HART通信模块的设计，包括硬件平台设计和软件平台设计。设计完成后，进行整个系统调试，调试结果表明，HART通信模块能够与HART手操器实现实时通信。
6评述：
流量仪表广泛应用于各工业领域，是工业控制中至关重要的设备之一。传统的流量仪表只能单向传输模拟信号，这大大制约了流量仪表的发展。随着微处理器诞生，给流量仪表的发展带来了很大的契机。微处理器具有强大的数据处理能力且可实现双向数据通信，但微处理器只能处理数字信号，而在工业领域仍以模拟信号为主，于是HART协议应运而生。HART协议实现了在不改变现有电路的情况下完成双向数据通信，是流量仪表发展史上的一大里程碑。HART协议虽是一种过渡性的协议，但经过十余年的发展，已经十分完善，目前被广泛应用于各工业领域。介绍了基于流量仪表的HART通信模块设计，包括HART通信模块的硬件设计、软件设计，最后完成整个系统的测试。测试结果表明，HART通信模块与HART手操器之间可实现正常数据通信。
