摘 要： 在工业控制的领域范围内，现场总线过渡标准的HART协议已经得到广泛的认可但是，目前的许多技术还处于一个上升阶段，HART协议通信卡在HART中是一个非常关键的组件。接下来，我们就共同探讨一下HART通讯协议在现场仪表远程通讯中的实现。
关键词： HART通讯协议；现场仪表；远程通讯；实现
0 引言
目前，世界上大部分的智能仪表都使用了HART通讯协议，而主要的仪表供应商所提供的智能仪表也都支HART通讯协议。在工业控制的系统中，位于地层的现场仪表包含了许多部分，例如在线分析仪表、变送器、执行器等检测仪表。现场仪表从模拟阶段上升到智能化的发展阶段，在现场仪表中，总线化是一个新的要求，而通讯功能是现场仪表总线化的基本要求。
1 HART协议
HART协议使用了420mA模拟信号上的叠加音数字信号，从而能够保证进行双向数字通讯，而不影响控制系统模拟信号传送的大小，使之与现有的模拟系统能够兼容。HART协议共使用了OSI模型中的三个部分，分别是第一层、第三层、第七层，也就是物理层、数据链路层和应用层。如下图1所示的HART通讯模型。
1.1 物理层
在物理层，对信号传输的介质和传输方法都做了相应的要求，HART信号传输是建立在BELL202通讯标准上的，通过频移键控的方法，将传送波特率设为1200bit/s，传输率设为1200位/s，把频率的正弦波与模拟信号叠加一起传送。FSK不会影响到模拟信号，因为它的平均值为零。一般情况下，使用双绞同轴电缆传输可以使传输的距离达到1500m。
1.2 数据链路层
在数据链路层中，非常明确的规定了HART帧的格式，从而使之拥有终结、建立、维护链路通讯的功能，通过检错码信息，可以对自动重复请求自动发送，消除产生干扰的数据通讯和线路噪音，从而实现无差错的传送通讯数据。HART帧包括用户数据、寻址信息、链路同步信息、校检和组成，在类型上可以分为应答帧、请求帧和阵发帧。定界符代表HART帧的开始，对帧的类型和寻址格式进行了定义。HART帧编码是以8位为一个字节的，可以保证每个字节在进行数据传输时能够同步。HART协议访问链路的方式为令牌式方式，但是它并不是循环的转发令牌，只有在得到令牌站点后才能进行访问。HART协议把链路设备分为三类：第一主设备、从设备表示现场仪表访问方式进行数据通讯、阵发设备。
1.3 应用层
在应用层，可以对所请求的命令进行执行，在HART协议中，可以把命令分为常用命令、通用命令、专用命令。从功能上有可以划分为现场仪表管理命令、操作方法相关命令、仪表变量相关信息读写命令。在现场仪表管理命令中，可以获取很多的管理信息，例如仪表的软、硬件版本号、装配号、日期、工位号、描述符等。根据操作方法相关命令，可以设定固定输出的模拟电流，进行回路测试，使用调整后的模拟电流输出增益和零点，从而实现仪表的自动校正和诊断等。对于仪表变量相关的信息读写命令，可以按照设定的单位，检测仪表的变量和输出电流，当传感器每执行一次通讯，主设备就可以从中获得≤4个变量数值。变量信息中包含变量运算函数代码、量程范围、阻尼值和变量单位。可以调整变送器的量程和零点；而传感器的信息中包含有极限值、单位代码和传感器序列号。
2 HART通讯协议在现场仪表中的实现
近年来，国外已经相继推出了HART协议在微控制器中的应用，在智能变送器里，传感器发出的信号，在数字化后，首先由微控制器进行处理，然后转化成电流信号，还需要留有HART数字信号接口。利用手持通信器或者控制室进行通信组态。
差容式传感器内部包括两块固定极板和一个可以随着压力变化而移动的可动电极。而这两块极板以相同的距离放于可动电极的两侧，与可动电极共同形成两个电容。如果一侧输入测定压力，在另一侧输入大气压，就可以组合成一个压力传感器，如果两侧都是压力输入，就可以组成一个差压传感器。可动电极的位移和两侧接入的压力差在一定的范围内会形成一个比例。
可以设定两个等效电容值 ，分别表示为：
公式中， 表示为一个常数，大约为2.8×8.9PF/m；A表示电极的有效面积，d代表当压力为0时，可动电极和固定极板的距离，Δd表示为可动电极随压力变化的移动距离。通过计算可以得到： ，RC电路的时间常数为T=R·C，这样，通过串联的固定电阻，就可以测定出充电的时间，从而计算出电容 和 ，然后通过Δd/d转化为压力的数值。
变送器的结构框图如下图2。其中使用了微控制器、HT2012和AD421。AD421除了自身用电外，不仅包括串行输入的16位D/A转换，还向其他的部分提供可以选择的稳压输出供变送器用电。在HT2012片内，有许多符合BELL202标准的调制器、时钟、检测控制电路和解调器。
通过信号变换电路，可以把差容式压力传感器变成压力与周期相关的方波信号，当光电隔离之后，变可以送入微控制器。通过微控制器，能够很准确的测量出相关的时间，然后把相应的压力数值并作迁移和倍率，在校准后，把AD421作为D/A转换成为420mA的模拟电流。在HART协议的要求中，数字通信可以由译码或者HT2012编码，微控制器与HT2012交换数字信号，把AD421作为模拟信号的接口，而整个的变送器电源都是有AD421提供的。
3 通信的软件设计
在整个现场仪表软件设计中，关键之处在于HART应用层和数据链路层在软件中的实现。在整个通信过程中，当上位机的命令帧发出后，想擦很难过仪表就可以通过串行口的中断，然后接受命令帧，之后便由MCU进行相关的数据处理，在此过程中会产生应答帧，然后由MCU进行中断，完成应答帧的过程，从而把一次命令完成。
当看门狗复位之后，必须要对通信部分进行初始化，这主要包括清通信缓冲区、串口工作方式设定、波特率设定、开中断等。当初始化阶段完成之后，通讯部分就会处于准备接收的状态，如果这时有命令发来，HT2012的载波检测口会变为低电平，在中断后进行接收，而程序就会进入到接收的部分。然后就可以对主机的命令进行解释，根据接收到的命令进行相应的操作，最后按照格式把所生成的应答帧送入到通信缓冲区，当完成发送后，就可以把SCI关闭。
4 结语
HART协议所具有的优点，使它能够在全球的范围内广泛的被采用，并应用于最广的现场通信协议中。目前，在工业领域，HART协议已经形成了一个实用的标准。因此，在很长的时期内，HART协议产品仍然有很宽阔的发展前景。
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