要首先介紹A5191HRT型HART調(diào)制解調(diào)器的原理A5191HRT內(nèi)

1、摘  要：首先介紹A5191HRT型HART調(diào)制解調(diào)器的原理。A5191HRT內(nèi)部集成了符合Bell202標準的較完整的調(diào)制解調(diào)電路，與微處理器接口方便，便于構(gòu)建智能現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議通信模塊電路。最后給出某智能現(xiàn)場儀表基于A5191HRT和AD421型電流環(huán)數(shù)，模轉(zhuǎn)換器的HART協(xié)議通信模塊設計。關(guān)鍵詞：HART協(xié)議；串行通信；頻移鍵控；調(diào)制解調(diào)器1 引言20世紀70年代中期，工業(yè)控制儀表發(fā)展為統(tǒng)一的二線制4 mA20 mA電流環(huán)標準模擬信號體制。80年代后，數(shù)字技術(shù)的發(fā)展使大量智能控制儀表采用了微控制器(MCU)，儀表與控制設備之間傳輸?shù)男畔⒘吭黾?，迫切需要一種全數(shù)字雙向通信

2、規(guī)范。美國Rosemount公司制定的HART協(xié)議是兼容現(xiàn)行4 mA一20 mA模擬系統(tǒng)的過渡性現(xiàn)場總線標準，得到了非常廣泛的應用，成為智能工業(yè)控制領域事實上的國際標準。AMI Semiconductor公司的A5191HRT型HART調(diào)制解調(diào)器用于構(gòu)建智能現(xiàn)場儀表的HART協(xié)議通信模塊，具有外圍電路簡單和工作可靠性高等特點。2 HART協(xié)議HART(Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議是美國Rosemount公司于20世紀80年代中期推出的，主要用于現(xiàn)場智能儀表和控制系統(tǒng)間的數(shù)字通信。HART協(xié)議在低頻的4 mA，20 mA模擬信號上疊加音頻數(shù)字信

3、號，進行雙向數(shù)字通信具有同時進行點對點4 mA20 mA模擬和數(shù)字通信、多站通信方式、多種信息傳輸、開放的體系結(jié)構(gòu)可免費獲得等優(yōu)點。HART協(xié)議參考ISOOSI模型(開放系統(tǒng)互聯(lián)模型)，采用簡化的3層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應用層。物理層規(guī)定信號的傳輸方法，采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，在低頻4 mA一20 mA模擬信號上疊加音頻數(shù)字信號進行雙向通信，數(shù)字信號幅度為05 mA，數(shù)據(jù)率達1200 bs，以1200 Hz代表邏輯1，2200 Hz代表邏輯0。FSK頻移鍵控信號波形如圖1(a)所示。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定HART協(xié)議幀格式實現(xiàn)建立、維護、終結(jié)鏈路通

4、訊的功能。應用層為HART協(xié)議命令集，用于實現(xiàn)HART指令。HART協(xié)議的FSK頻移鍵控信號和4 mA20mA電流環(huán)模擬信號疊加后同時傳輸?shù)氖疽鈭D如圖1(b)所示。由于FSK信號的平均值為0，所以不影響傳送給控制系統(tǒng)的4 mA一20 mA電流環(huán)模擬信號的大小保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。3  A5191HRT的工作原理31  ASl91HRT的性能與引腳功能A5191HRT是應用于HAftT現(xiàn)場儀表的單片CMOS調(diào)制解調(diào)器，其主要性能如下：(1)單片、半雙工1200 bs速率的頻移鍵控(FSK)調(diào)制解調(diào)器，可替代SYM20C15；(2)Bell202標準的FSK頻移鍵控信號

5、，載波為1200Hz和2200 Hz；(3)內(nèi)部集成了接收帶通濾波器電路和發(fā)送信號波形整形電路：(4)外接4608 kHz晶體或陶瓷濾波器內(nèi)部時鐘振蕩器或者使用外部輸入時鐘；(5)工作溫度范圍為一40+85；(6)電源電壓為3O V50 V；(7)滿足HAftr協(xié)議物理層的要求；(8)功耗低。另外，為了節(jié)省功耗，A5191HRT在進行發(fā)送操作時可將接收電路關(guān)閉，進行接收操作時也可將發(fā)送電路關(guān)閉這種工作方式適合于HART協(xié)議的半雙工通信方式。A5191HRT采用28引腳PLCC和32引腳LQFP封裝，引腳排列如圖2所示。主要引腳的功能如表1所示。32 A5191HRT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理A519

6、1HRT內(nèi)部包括發(fā)送數(shù)據(jù)調(diào)制器與波形整形電路、載波檢測電路、接收濾波器與解調(diào)電路、控制邏輯和時鐘振蕩器電路。A5191HRT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示調(diào)制器接收不歸零數(shù)字碼并調(diào)制為FSK信號以1200 Hz代表邏輯“l(fā)”以2200 Hz代表邏輯“0”，數(shù)據(jù)率為1200 bs，之后由波形整形電路將FSK信號整形為兼容HART協(xié)議要求的信號發(fā)送出去。接收濾波器完成輸入信號的帶通濾波，將信號送給載波檢測電路和解調(diào)器。載波檢測電路通過比較接收濾波器輸出信號和外部的參考電壓，在檢測到接收信號輸入引腳輸入有效的調(diào)制信號時輸出高電平。解調(diào)器在載波輸出有效時將經(jīng)過濾波后的FSK輸入信號解調(diào)為數(shù)字信號輸出。時鐘振蕩器

7、電路產(chǎn)生4608 kHz的時鐘信號，可以使用內(nèi)部振蕩器電路產(chǎn)生時鐘信號此時需要外接一個晶振也可以直接輸入外部時鐘信號?？刂七壿嬰娐酚糜诳刂艫5191HRT內(nèi)部各個電路模塊的工作例如發(fā)送操作和接收操作的切換。4 HART協(xié)議通信模塊的設計41 HART協(xié)議通信模塊的硬件電路設計某智能現(xiàn)場儀表要求HART協(xié)議通信模塊完成與主機(上位機)交換儀表的設置參數(shù)、中間測量數(shù)據(jù)、校準參數(shù)等信息傳輸以及將儀表測量結(jié)果的數(shù)字碼轉(zhuǎn)換為4mA20 mA標準模擬電流環(huán)信號的輸出的功能。設計完成的HART通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。HART協(xié)議通信模塊主要由現(xiàn)場儀表內(nèi)的MCU、A5191HRT和AD421型DAC組成。

8、其中AD421接收MCU傳送的數(shù)字信號并轉(zhuǎn)換成4 mA20 mA電流輸出，傳輸測量結(jié)果：A5191HRT接收疊加在4 mA一20mA環(huán)路上的FSK信號解調(diào)后傳輸給MCU或?qū)CU產(chǎn)生的應答幀信息調(diào)制成FSK信號經(jīng)波形整形器后由AD421疊加在4 mA一20 mA環(huán)路上發(fā)送出去。 由于A5191HRT內(nèi)部集成了較完整的HART調(diào)制解調(diào)電路所以其外圍電路只需較少的無源元件。A5191HRT的外圍電路原理如圖5所示。圖5中，A5191HRT與MCIJ的接口信號包括載波檢測OCD、HART解調(diào)輸出ORXD、HAIl'r調(diào)制輸入ITXD、請求發(fā)送INRTS:Loop+為4 mA20 m

9、A環(huán)路輸入：HART調(diào)制解調(diào)的時鐘信號源于外接的4608 kHz晶體產(chǎn)生振蕩。AD421是ADI公司的高性能單片DAC,它兼容HART協(xié)議的FSK通信電路，適合低功耗、高精度、低成本的智能工業(yè)控制應用。AD421由電壓調(diào)整器、一結(jié)構(gòu)DAC核和電流放大器組成可將16bit數(shù)字碼轉(zhuǎn)換為對應的4 mA20 mA模擬電流。42 HART協(xié)議通信模塊的軟件設計HART協(xié)議通信模塊的軟件設計包括HART協(xié)議的軟件設計和MCU對AD421的控制程序設計。前者包括HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層的通信程序設計和應用層的軟件界面設計是整個模塊軟件設計的主要部分。HART協(xié)議通信模塊的通信過程由主機發(fā)送命令幀開始，現(xiàn)場儀表

10、作為從設備使用中斷調(diào)用子程序來完成接收和應答?，F(xiàn)場儀表上電復位后，通信程序首先初始化HART協(xié)議通信模塊。例如設定MCU的UART工作方式、串行通信波特率、數(shù)據(jù)幀格式和中斷等后進入等待狀態(tài)。主機發(fā)送命令時，A5191HRT的載波檢測OCD變?yōu)榈碗娖剑|發(fā)MCU的UART中斷調(diào)用接收子程序。MCU完成主機命令的接收和處理后，生成應答幀并傳輸給A5191HRT調(diào)制成FSK信號傳輸給主機，完成后再將HART協(xié)議通信模塊設置為等待狀態(tài)。HART協(xié)議通信模塊采用這種中斷調(diào)用子程序的方法完成現(xiàn)場儀表和主機之間的通信，可以實現(xiàn)主機對現(xiàn)場儀表的各個工作參數(shù)的設置、測量結(jié)果的讀取、儀表工作狀態(tài)的檢測等功能，并且具有程序設計靈活的優(yōu)點。 5  結(jié)束語HA