【摘　要】　討論了HART（Highway Addressable Remote Transducer）通信協議。選用智能現場設備，設計了HART調制解調器。利用HART通信協議設計了低價格、高精度的管道煤氣壓力測量方案。
??? 關鍵詞：HART通信協議，HART調制解調器，智能現場設備，壓力測量
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　　遠方數據采集和控制在工業現場監控中有著重要的作用。在傳統的數據采集與控制（SCADA）系統中，現場測量與控制設備通常采用模擬信號。隨著計算機技術的發展，用來完成測量和調節的現場設備多數含有嵌入式微處理器，即智能現場設備。它意味著低測量成本和高精度的數據。現場總線技術建立了現場設備和遠程監控計算機之間的數據傳輸與信息交換，它以數字信號代替傳統的模擬信號，為開放性的總線網絡標準。HART通信協議屬現場總線范疇。本文應用HART通信協議，設計了城市管道煤氣壓力測量方案。

1　HART通信協議介紹
　　HART（Highway Addressable RemoteTransducer）通信協議是Rosemount公司在1986年為其智能變送器而提出的。隨著不斷的發展和其應用范圍的擴大，1989年又成立了HART用戶集團，1993年又成立了HART通信基金會（HCF）。不同于其它全數字化的現場總線技術，HART通信協議借助于傳統的模擬信號傳輸技術。它采用FSK技術，在4～20mA模擬測量信號上疊加了一個載頻信號，使模擬信號和數字信號的雙向通信能同時進行而不互相干擾。HART通信協議也可以在一根通信線上以全數字的方式通信，支持15個現場設備，完成信號測量、設備配置、設備標定和狀態檢測。HART通信協議具有與其它現場總線類似的體系結構。它以國際標準化組織開放性互連模型為參照，對應于OSI協議的1、2、7層協議（物理層：Bell202，數據鏈路層：HART通信協議規范，應用層：HART命令）。
　　物理層規定了HART通信采用基于FSK的Bell202協議。波特率1200bps，邏輯0為2200Hz，邏輯1為1100Hz。由于正弦波信號的平均值為零，HART通信信號不會影響4～20mA信號的平均值。其組網方式有“點對點網絡”和“多點網絡”兩種。如果要求現場設備同時傳遞數字和模擬信號，只能采用點對點方式。在多點網絡中無法辨識出不同現場設備的模擬信號。數據鏈路層規定了通信數據結構。每個字符由11位組成，1個起始位、8個數據位、1個奇偶校驗位和一個停止位。HART數據的字節數不是恒定的，每幀HART數據有一個垂直校驗字節。圖1給出了HART數據的短幀格式范例。最前面是兩個字節的引導符。定界符的高位確定幀的長短。從設備至主設備有兩個字節的響應碼，含有通信錯誤、數據鏈路和設備的狀態信息。成組模式的幀格式相應要復雜一些。應用層規定了HART命令，命令分為三類：通用命令、普通應用命令和專用命令，其適用范圍不同。對應于不同的組網方式，HART通信協議有兩種通信模式：“問答式”和“成組模式”。

2　管道煤氣壓力監測方案
　　城市中管道煤氣分為中壓管網和低壓管網，若干個調壓站分布于城區各處。管道煤氣的主要監測任務為進口的中壓壓力（一般為20～60kPa）和出口的低壓壓力（一般為1～2kPa）。在調壓站處設有監測副站，所設計系統采用問答式工作方式，通信為無線信道，選用Rosemount公司的1151智能型壓力變送器，如圖2所示，設計了基于HART通信協議的監測副站壓力測量方案。

　　1151智能型變送器遵循HART通信協議，同時輸出模擬信號和數字信號。利用手持式HART編程器可以設定其過程變量單位、重定量程、設定輸出類型、設定阻尼以及標定傳感器。1151系列壓力變送器有多種不同種類，可用于需準確測量流量、液位、表壓、絕壓、真空度和比重的場合。1151壓力變送器為全密封電容敏感元件的直接電子傳感器，測量精度為±0．1％，量程比15：1。如果采用模擬信號傳輸，須設計A／D轉換器且有著較高的精度要求。采用數字信號避免了A／D轉換和線路傳輸的誤差，從而可獲得高精度的測量數據。
??? 單臺現場設備使用最長距離取3000m，多點網絡現場設備使用最長距離取1500m。或者根據公式
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計算電纜的最大長度。式中，R為網絡電阻，單位為Ω；C為單位長度頒電容，單位為pF/m;Cf為現場設備的電容，單位為pF，Cf=CN×5000，CN為現場儀表參數如果現場儀表無CN值，則取CN為1。在工程設計中，取兩種方法的最小值。
??? 智能設備要栓出HART通信信號，要求它有0．25VP－P以上的電平，二線制智能設備信號回路至少有250Ω的電阻才能進行通信。
3　HART調制解調電路的設計
　　從總體設計方案可以看出，HART調制解調電路為設計的一個重要方面。選用Smar公司的HART通信芯片HT2012設計調制解調電路，HT2021是單片CMOS低功耗FSK調制解調芯片，遵循Bell202通信標準，為過程控制儀器和其它低功耗設備提供HART協議的物理層。HT2012由單電源3．5V或5V供電，需要外部460．8kHz時鐘，毋須外部的調節或偏置，為半雙工工作方式，內部主要有四個功能模塊：時鐘模塊、解調器模塊、調制器模塊和載波檢測模塊。HART調制解調器由控制信號決定工作模式為0，由OTXA引腳發送數據為1，由IRXA引腳接收數據。
OCD為載波偵測引腳，當有效載波信號出現時，OCD腳為低電平，通知CPU讀入解調數據。從圖3接線方式可以看出，當HART調制解調器工作于發送狀態時，芯片仍然接收到載波信號，OCD腳還是為低電平，設計程序時應注意到這一點。外部須提供460．8kHz的時鐘信號，該信號產生所有內部和外部的定時。19．2kHz為芯片輸出信號。設計電路見圖3。
　　設計電路為半雙工方式。FSK信號耦合方式為變壓器耦合，也可采用其它耦合方式。輸入信號經過帶通濾波器（帶寬為1200Hz～2200Hz），然后經方波形成電路送入HT2012。HT2012輸出為方波信號，接有濾波電路將信號邊緣平滑，濾除寄生信號和諧波。如果傳輸介質能接收方波信號，輸出濾波器也可以省去。兩種濾波器應在寬范圍具有恒定的相位延這。AT89C51單片機與HT2012接口，產生HT2012的控制信號，完全數據的輸入輸出。AT89C51單片機同時完全通信接口轉換任務，與微型計算機接口。在本設計中，接收數據的分析、判別由上位微型計算機完成。
　　在硬件設計完成后，根據HART通信協議應用層命令進行編程。HART通信協議的有關文檔資料中給出了HART命令的詳細規范，包括命令格式、數據格式和響應碼格式。從HART通信基金會網站（http：／／www．hartcomm．org）可查閱到有關資料。
4　結束語
　　HART通信協議被認為是事實上的工業標準。
模擬信號和數字信號的同時傳輸給監控系統帶來了更大的靈活性。它的不足之處主要是速度較慢。由于目前4～20mA標準現場設備大量存在，HART
通信協議仍有較廣的應用范圍。在本文的工程應用背景下，利用HART通信協議設計了低價格、高精度的測量方案。設計思想具有普遍意義，適用于其它工業現場的監控任務。
1　陽憲惠．現場總線技術及其應用．北京：清華大學出版社，1999
2　蔡建新，盧愛明．HART調制解調器HT－2012的原理和應用．電子技術應用，1999（5）