智能閥門定位器的HART通信接口設(shè)計(jì)

吳寧勝

(浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程學(xué)院，杭州 310053)

閥門定位器是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的核心配套儀表，在石化、輕紡及冶金等工業(yè)管道系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。傳統(tǒng)閥門定位器是基于4～20mA模擬信號(hào)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，適用于集散控制系統(tǒng)[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)場總線系統(tǒng)正在逐步替代集散控制系統(tǒng)，符合現(xiàn)場總線通信協(xié)議的智能閥門定位器成為各大公司研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。目前，行業(yè)影響力較大的現(xiàn)場總線技術(shù)主要有HART(Highway Addressable Remote Transducer)、CAN、Lon Works、FF和Profibus。HART總線在傳統(tǒng)模擬信號(hào)傳輸線的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)通信，使原有控制系統(tǒng)不需要更改系統(tǒng)架構(gòu)和工程布線就能直接使用并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制和管理，目前在全球范圍內(nèi)廣泛使用，已成為智能閥門定位器行業(yè)事實(shí)上的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)[2]。因此，對(duì)智能閥門定位器的HART通信接口進(jìn)行研究具有重要意義。

HART既可傳輸模擬信號(hào)，也可傳輸現(xiàn)場總線的數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)與控制中心的信息交互。根據(jù)ISO的OSI參考模型，HART協(xié)議分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層涉及信號(hào)的傳輸方式和傳輸介質(zhì)，它是在4～20mA模擬信號(hào)上疊加正弦調(diào)制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，規(guī)定數(shù)字信號(hào)“1”調(diào)制成頻率為1 200Hz的信號(hào)，“0”調(diào)制成頻率為2 200Hz的信號(hào)，數(shù)字信號(hào)幅值為0.5mA，平均值為0。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和通信模式，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 200bit/s；11位數(shù)據(jù)格式包含一個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、一個(gè)校驗(yàn)位和一個(gè)停止位；字節(jié)奇校驗(yàn)。應(yīng)用層則對(duì)各種命令代碼作統(tǒng)一規(guī)范，有通用命令、普通應(yīng)用命令和設(shè)備專用命令3類。通用命令是所有HART現(xiàn)場設(shè)備都必須響應(yīng)的命令；普通應(yīng)用命令只被設(shè)備部分應(yīng)用；設(shè)備專用命令是生產(chǎn)廠商根據(jù)需要制定的命令。

2 HART通信接口硬件設(shè)計(jì)與分析

2.1 定位器工作原理

基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中，超低功耗電源電路用于將4～20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，為HART通信接口電路、微處理器MCU單元和其他電路功能模塊提供穩(wěn)定的工作電壓；智能閥門定位器作為通信的從機(jī)使用；HART通信接口是MCU控制單元與主機(jī)之間的橋梁；隔離電路可以提高系統(tǒng)可靠性[1,3]。

從圖1可以看出，基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器為二線制設(shè)計(jì)，與主機(jī)的連接只有兩條線，4～20mA 電流信號(hào)既是給定的閥門位置目標(biāo)控制信號(hào)，也是整個(gè)定位器硬件電路正常工作的電源。按照線性穩(wěn)壓電路輸出的穩(wěn)定電壓為6.6V進(jìn)行估算，定位器從控制信號(hào)攝取的最小功率是26.4mW(6.6V×4mA)，最大功率是132.0mW(6.6V×20mA)。因此，低功耗設(shè)計(jì)是定位器正常工作的首要因素，要求各電路功能模塊工作于超低功耗模式。

圖1 HART通信接口與智能閥門定位器結(jié)構(gòu)框圖

2.2 HART通信接口電路

HART通信接口電路主要由接收濾波與調(diào)制解調(diào)電路、隔離電路、發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路及微處理器接口等組成(圖2)[2,4,5]。通信接口電路所有有源部件均采用超低功耗芯片。調(diào)制解調(diào)電路的核心是一個(gè)HART Modem，國產(chǎn)型號(hào)SD2015，典型電流值在工作電壓為3.3V時(shí)只有90μA，其內(nèi)部集成符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器/解調(diào)器等相關(guān)電路，簡化了接口電路設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更加可靠。圖2中U5和R25組成精密穩(wěn)壓電路，為SD2015和HART通信隔離電路提供直流偏置電壓，實(shí)現(xiàn)單電源供電電路對(duì)交流信號(hào)的處理。

圖2 HART通信接口硬件電路

從圖2可以看出，調(diào)制解調(diào)電路與HART數(shù)據(jù)傳輸線使用不同的地線(負(fù)端)。不同的地電勢會(huì)產(chǎn)生共模干擾，輕則會(huì)造成HART通信中斷及4～20mA信號(hào)誤差等故障，重則會(huì)使設(shè)備端口器件損壞。只有采用有效的電氣隔離方法才能解決上述問題，筆者采用音頻隔離變壓器T1與隔直電容C13、C15實(shí)現(xiàn)HART主電路與4～20mA信號(hào)線的隔離。

調(diào)制解調(diào)電路芯片載波信號(hào)輸出功率一般都比較小，為此筆者特別增加了由運(yùn)放U201構(gòu)成的載波發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路，較好地實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)低阻抗情況下的可靠通信。同時(shí)，HART通信是一種半雙工通信模式，必須配置發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換電路，筆者采用場效應(yīng)管Q2作為電子開關(guān)并配合SD2015的方法設(shè)計(jì)發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換電路。

調(diào)制解調(diào)電路與微處理器MCU的接口有5個(gè)I/O線。MCU通過串聯(lián)通信端口TXD、RXD和SD2015的ITXD、ORXD進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。INRTS線控制發(fā)送/接收轉(zhuǎn)換，且低電平發(fā)送，高電平接收。OCD線是外部載波信號(hào)檢測輸出線，MCU可以判斷HART總線是否繁忙。XTAL是芯片SD2015工作時(shí)鐘輸入線，需要460.8kHz時(shí)鐘源。由于460.8kHz晶振在市場上不容易購買到，因此筆者通過微控制器的PWM模塊工作于CTC模式經(jīng)軟件編程分頻實(shí)現(xiàn)，具有很好的靈活性，降低了生產(chǎn)成本。

3 軟件設(shè)計(jì)與分析

HART通信協(xié)議是一種半雙工通信模式，由主控設(shè)備(上位機(jī))發(fā)送通信請(qǐng)求，智能閥門定位器作為從機(jī)響應(yīng)。通信程序主要完成數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層規(guī)定的任務(wù)，其中，數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)現(xiàn)是HART通信軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3.1 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)范

數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和通信模式。從軟件設(shè)計(jì)的角度來看，需要特別注意HART的通信幀格式(表1、2)[5,6]。

表1 HART主機(jī)發(fā)往從機(jī)的數(shù)據(jù)幀格式

表2 HART從機(jī)發(fā)往主機(jī)的數(shù)據(jù)幀格式

其中，前導(dǎo)符是5～20個(gè)FF十六進(jìn)制字節(jié)，這是為了使數(shù)據(jù)接收端在硬件電路上產(chǎn)生CD載波檢測信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的同步。定界符代表數(shù)據(jù)的傳輸方向，同時(shí)指定了數(shù)據(jù)幀的幀類型(長、短幀結(jié)構(gòu))，主機(jī)到從機(jī)的短結(jié)構(gòu)值為02，長結(jié)構(gòu)值為82；從機(jī)到主機(jī)的短結(jié)構(gòu)值為06，長結(jié)構(gòu)值為86。地址字節(jié)的短結(jié)構(gòu)占一個(gè)字節(jié)，字節(jié)0～4位的表示值是0～15的從機(jī)地址；長結(jié)構(gòu)占5個(gè)字節(jié)，首字節(jié)的6位表示從機(jī)的生產(chǎn)廠商的代碼，第2個(gè)字節(jié)表示從機(jī)設(shè)備型號(hào)代碼，后3～5個(gè)字節(jié)表示從機(jī)的設(shè)備序列號(hào)，構(gòu)成唯一標(biāo)志碼。命令號(hào)也稱為功能碼，用于指明一個(gè)數(shù)據(jù)幀的具體實(shí)現(xiàn)功能。數(shù)據(jù)長度指實(shí)際數(shù)據(jù)的數(shù)量(如是從機(jī)，則包含響應(yīng)碼)。響應(yīng)碼用于報(bào)告通信中的錯(cuò)誤、接收命令的狀態(tài)和從機(jī)的操作狀態(tài)。數(shù)據(jù)字節(jié)用于設(shè)置或讀取指定從機(jī)的參數(shù)數(shù)據(jù)(通信的最終結(jié)果)。校驗(yàn)字節(jié)是從定界符到數(shù)據(jù)的所有字節(jié)的“異或”值，用于檢驗(yàn)通信數(shù)據(jù)幀的錯(cuò)誤。

3.2 協(xié)議鏈路層的程序?qū)崿F(xiàn)

依據(jù)HART協(xié)議的通信格式可以計(jì)算出傳送一個(gè)字符的時(shí)間大約在9ms。如果采用延時(shí)等待連續(xù)發(fā)送方式，一幀長數(shù)據(jù)就可能要消耗0.5～1.0s的CPU時(shí)間，控制的實(shí)時(shí)性無法保證，因此HART協(xié)議鏈路層程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是每一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的收發(fā)都必須采用中斷方式實(shí)現(xiàn)，中斷程序流程如圖3所示。在接收中斷程序中，定位器510)構(gòu)成。其中：輸入模件、輸出模件、電源模件、CPU控制器件、接口模件、總線底板模件和顯示器件均為PLC或DCS系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)硬件。另外還包括限幅控制單元、充壓時(shí)間設(shè)定單元、設(shè)定曲線生成單元和軟伺服控制單元，軟件單元安裝在PLC或DCS系統(tǒng)的CPU控制器件上。

圖3 HART協(xié)議鏈路層數(shù)據(jù)幀接收/發(fā)送中斷程序流程

4 結(jié)束語

HART通信技術(shù)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場通信協(xié)議之一，在儀表領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。筆者開發(fā)的基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器具有良好的系統(tǒng)性能，經(jīng)過批量測試，該智能閥門定位器即使在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行依然穩(wěn)定、可靠。實(shí)踐證明，基于HART通信協(xié)議的智能閥門定位器的通信接口設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單及易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的研制有重要的指導(dǎo)意義。

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