A5191HRT型HART调制解调器的原理与应用

摘  要：首先介绍A5191HRT型HART调制解调器的原理。A5191HRT内部集成了符合Bell202标准的较完整的调制解调电路，与微处理器接口方便，便于构建智能现场仪表的HART协议通信模块电路。最后给出某智能现场仪表基于A5191HRT和AD421型电流环数，模转换器的HART协议通信模块设计。
关键词：HART协议；串行通信；频移键控；调制解调器

1 引言
    20世纪70年代中期，工业控制仪表发展为统一的二线制4 mA~20 mA电流环标准模拟信号体制。80年代后，数字技术的发展使大量智能控制仪表采用了微控制器(MCU)，仪表与控制设备之间传输的信息量增加，迫切需要一种全数字双向通信规范。美国Rose—mount公司制定的HART协议是兼容现行4 mA一20 mA模拟系统的过渡性现场总线标准，得到了非常广泛的应用，成为智能工业控制领域事实上的国际标准。

    AMI Semiconductor公司的A5191HRT型HART调制解调器用于构建智能现场仪表的HART协议通信模块，具有外围电路简单和工作可靠性高等特点。

2 HART协议
    HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议是美国Rose—mount公司于20世纪80年代中期推出的，主要用于现场智能仪表和控制系统间的数字通信。HART协议在低频的4 mA，20 mA模拟信号上叠加音频数字信号，进行双向数字通信．具有同时进行点对点4 mA～20 mA模拟和数字通信、多站通信方式、多种信息传输、开放的体系结构可免费获得等优点。

    HART协议参考ISO／OSI模型(开放系统互联模型)，采用简化的3层模型结构，即第一层物理层、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，采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频4 mA一20 mA模拟信号上叠加音频数字信号进行双向通信，数字信号幅度为0．5 mA，数据率达1200 b／s，以1200 Hz代表逻辑…1’，2200 Hz代表逻辑…0’。FSK频移键控信号波形如图1(a)所示。
数据链路层规定HART协议帧格式．实现建立、维护、终结链路通讯的功能。应用层为HART协议命令集，用于实现HART指令。

    HART协议的FSK频移键控信号和4 mA～20mA电流环模拟信号叠加后同时传输的示意图如图1(b)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4 mA一20 mA电流环模拟信号的大小．保证了与现有模拟系统的兼容性。

3  A5191HRT的工作原理
3．1  ASl91HRT的性能与引脚功能
    A5191HRT是应用于HAftT现场仪表的单片CMOS调制解调器，其主要性能如下：
    (1)单片、半双工1200 b／s速率的频移键控(FSK)调制解调器，可替代SYM20C15；
    (2)Bell202标准的FSK频移键控信号，载波为1200Hz和2200 Hz；
    (3)内部集成了接收带通滤波器电路和发送信号波形整形电路：
    (4)外接460．8 kHz晶体或陶瓷滤波器内部时钟振荡器或者使用外部输入时钟；
    (5)工作温度范围为一40℃~+85℃；
    (6)电源电压为3．O V～5．0 V；
    (7)满足HAftr协议物理层的要求；
    (8)功耗低。

    另外，为了节省功耗，A5191HRT在进行发送操作时可将接收电路关闭，进行接收操作时也可将发送电路关闭．这种工作方式适合于HART协议的半双工通信方式。

    A5191HRT采用28引脚PLCC和32引脚LQFP封装，引脚排列如图2所示。

主要引脚的功能如表1所示。

3．2 A5191HRT的内部结构与工作原理
    A5191HRT内部包括发送数据调制器与波形整形电路、载波检测电路、接收滤波器与解调电路、控制逻辑和时钟振荡器电路。A5191HRT的内部结构如图3所示．

    调制器接收不归零数字码并调制为FSK信号．以1200 Hz代表逻辑“l”．以2200 Hz代表逻辑“0”，数据率为1200 b／s，之后由波形整形电路将FSK信号整形为兼容HART协议要求的信号发送出去。接收滤波器完成输入信号的带通滤波，将信号送给载波检测电路和解调器。载波检测电路通过比较接收滤波器输出信号和外部的参考电压，在检测到接收信号输入引脚输入有效的调制信号时输出高电平。解调器在载波输出有效时将经过滤波后的FSK输入信号解调为数字信号输出。时钟振荡器电路产生460．8 kHz的时钟信号，可以使用内部振荡器电路产生时钟信号．此时需要外接一个晶振．也可以直接输入外部时钟信号。控制逻辑电路用于控制A5191HRT内部各个电路模块的工作．例如发送操作和接收操作的切换。

4 HART协议通信模块的设计
4．1 HART协议通信模块的硬件电路设计
    某智能现场仪表要求HART协议通信模块完成与主机(上位机)交换仪表的设置参数、中间测量数据、校准参数等信息传输．以及将仪表测量结果的数字码转换为4mA～20 mA标准模拟电流环信号的输出的功能。设计完成的HART通信模块结构框图如图4所示。

    HART协议通信模块主要由现场仪表内的MCU、A5191HRT和AD421型DAC组成。其中．AD421接收MCU传送的数字信号并转换成4 mA～20 mA电流输出，传输测量结果：A5191HRT接收叠加在4 mA一20mA环路上的FSK信号．解调后传输给MCU．或将MCU产生的应答帧信息调制成FSK信号经波形整形器后由AD421叠加在4 mA一20 mA环路上发送出去。
 
    由于A5191HRT内部集成了较完整的HART调制解调电路．所以其外围电路只需较少的无源元件。A5191HRT的外围电路原理如图5所示。

    图5中，A5191HRT与MCIJ的接口信号包括载波检测OCD、HART解调输出ORXD、HAIl'r调制输入ITXD、请求发送INRTS:Loop+为4 mA~20 mA环路输入：HART调制解调的时钟信号源于外接的460．8 kHz晶体产生振荡。

    AD421是ADI公司的高性能单片DAC,它兼容HART协议的FSK通信电路，适合低功耗、高精度、低成本的智能工业控制应用。AD421由电压调整器、∑一△结构DAC核和电流放大器组成．可将16bit数字码转换为对应的4 mA～20 mA模拟电流。

4．2 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HART协议的软件设计和MCU对AD421的控制程序设计。前者包括HART协议数据链路层的通信程序设计和应用层的软件界面设计．是整个模块软件设计的主要部分。

    HART协议通信模块的通信过程由主机发送命令帧开始，现场仪表作为从设备使用中断调用子程序来完成接收和应答。现场仪表上电复位后，通信程序首先初始化HART协议通信模块。例如设定MCU的UART工作方式、串行通信波特率、数据帧格式和中断等后进入等待状态。主机发送命令时，A5191HRT的载波检测OCD变为低电平，触发MCU的UART中断．调用接收子程序。MCU完成主机命令的接收和处理后，生成应答帧并传输给A5191HRT．调制成FSK信号传输给主机，完成后再将HART协议通信模块设置为等待状态。

    HART协议通信模块采用这种中断调用子程序的方法完成现场仪表和主机之间的通信，可以实现主机对现场仪表的各个工作参数的设置、测量结果的读取、仪表工作状态的检测等功能，并且具有程序设计灵活的优点。

5  结束语
    HART技术在国外已经很成熟。并以其自身突出的优点成为智能控制领域中应用最广泛的现场通信协议。可以预见，在今后很长一段时期内，HART技术将在我国现场仪表的智能化研制和改造中发挥重要作用。设计实践证明，使用A5191HRT设计智能现场仪表的HART协议通信模块具有电路设计简单、工作可靠性高的优点，参考价值和实用价值较高。