1 hart協議簡介
hart(highway addressable remote transducer)，可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，是美國rosemen公司於1985年推出的一種用於現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。
hart裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應時間的通信，經過10多年的發展，hart技術在國外已經十分成熟，並已成為全球智能儀表的工業標準。
hart協議採用基於bell202標準的fsk頻移鍵控信號，在低頻的 4～20ma模擬信號上疊加幅度為0.5ma的音頻數位訊號進行雙向數字通訊，數據傳輸率為1.2mbps。由於fsk信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統模擬信號的大小，保證了與現有模擬系統的兼容性。
在hart協議通信中，主要的變量和控制信息由4～20ma傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息通過hart協議訪問。
hart通信採用的是半雙工的通信方式。
hart協議參考 iso/osi(開放系統互連模型 )，採用了它的簡化三層模型結構，即第一層物理層，第二層數據鏈路層和第七層應用層。
第一層：物理層。規定了信號的傳輸方法、傳輸介質，為了實現模擬通信和數字通信同時進行而又互不幹擾，hart協議採用頻移鍵控技術 fsk，即在4～20ma模擬信號上迭加一個頻率信號，頻率信號採用 be11202國際標準，數位訊號的傳送波特率設定為 1200bps，1200hz代表邏輯「0」，2200hz代表邏輯「1」，信號幅值0.5a，如圖 1所示。
通信介質的選擇視傳輸距離長短而定。通常採用雙絞同軸電纜作為傳輸介質時，最大傳輸距離可達到1500ｍ。線路總阻抗應在230～1100ω之間。
第二層：數據鏈路層。規定了hart幀的格式，實現建立、維護、終結鏈路通訊功能。hart協議根據冗餘檢錯碼信息，採用自動重複請求發送機制，消除由於線路噪音或其他幹擾引起的數據通訊出錯，實現通訊數據無差錯傳送。
現場儀表要執行hart指令，操作數必須合乎指定的大小。每個獨立的字符包括1個起始位、8個數據位、1個奇偶校驗位和一個停止位。由於數據的有無和長短並不恆定，所以hart數據的長度也是不一樣的，最長的hart數據包含25個字節。
第七層：應用層。為hart命令集，用於實現 hart指令。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。
2 現場儀表hart協議遠程通信硬體設計
某現場儀表的hart協議部分主要完成數位訊號到模擬電流信號的轉換，並實現對主要變量和測量、過程參數、設備組態、校準及診斷信息的訪問。圖2是hart協議通信模塊結構設計框圖。
hart通信部分主要由d/a轉換和bell202 modem及其附屬電路來實現。其中，d/a變換作用是直接將數位訊號轉換成4～20ma電流輸出，以輸出主要的變量。bell202 modem及其附屬電路的作用是對疊加在4～20ma環路上的信號進行帶通濾波放大後，hart通信單元如果檢測到fsk頻移鍵控信號，則由bell202 modem將1200hz的信號解調為「1」，2200hz信號解調為「0」的數位訊號，通過串口通信交mcu，mcu接收命令幀，作相應的數據處理。然後，mcu產生要發回的應答幀，應答幀的數位訊號由modem調製成相應的1200hz和2200hz的fsk頻移鍵控信號，波形整形後，經ad421疊加在環路上發出。
d/a變換器採用ad421，它是美國adi公司推出的一種單片高性能數模轉換器，由環路供電，16位數位訊號以串行方式輸入，可以將數位訊號直接轉換成4～20ma電流輸出。它提供了高精度、全集成、低功耗的解決方案，採用16引腳dip、tssop、soic封裝，可實現低成本的遠程智能工業控制。ad421包括串行輸入16位 d/a(數字/電流 )轉換，除自身用電外，還提供可選擇的 (5v，3.3 v或 3 v)穩壓輸出供變送器其他部分用電。
hart modem採用 smar公司的 ht2012，是符合bell202標準的半雙工數據機，實現hart協議規定的數字通信的編碼或解碼。該晶片專為 hart儀器設計，片內集成了符合 bell202標準的調製器、解調器、時鐘及定時電路、檢測控制電路。性價比較高，16腳 dip和28腳plcc封裝，在+5v供電時工作電流80μa。ht2012與微控制器交換數位訊號，同ad421作模擬信號接口。它一方面與mcu的異步串行通信口進行串行通信，一方面將輸入的不歸零的數位訊號調製成fsk信號，再經ad421疊加在4～20ma的迴路上輸出，或者將迴路信號經帶通濾波、放大整形後取出fsk信號解調為數位訊號，從而實現hart通信。
對於hart modem所需要的輸入時鐘，採用7.3728mhz的晶振通過兩個計數器74ls161進行兩次4分頻，得到16分頻的時鐘。
由於hart數字通信的要求，有0.5ma的正弦波電流信號疊加在4ma電流上，因此整個硬體電路必須保證在3.5ma以下還能正常工作，因此實現系統的低功耗設計非常重要。
圖3和圖4分別是採用的ad421和ht2012的外圍電路圖。
3 通信的軟體設計
hart通信程序也即為hart協議數據鏈路層和應用層的軟體實現，是整個現場儀表軟體設計的關鍵。
在hart通信過程中，主機（上位機）發送命令幀，現場儀表通過串行口中斷接收到命令幀後，由mcu作相應的數據處理，產生應答幀，由mcu觸發發送中斷，發出應答幀，從而完成一次命令交換。
首先在上電或者看門狗復位後，主程序要對通信部分進行初始化，主要包括波特率設定、串口工作方式設定、清通信緩衝區、開中斷等。
在初始化完成之後通訊部分就一直處在準備接收狀態下，一旦上位機有命令發來，ht2012的載波檢測口ocd變為低電平，觸發中斷，啟動接收，程序就進入接收部分。然後完成主機命令的解釋並根據命令去執行相應的操作，最後按一定的格式生成應答幀並送入通信緩衝區，啟動發送，完成後關閉sci。
圖5是串行接收請求幀、回復應答幀程序的流程圖。
在發送應答幀之後，再次進入等待狀態，等待下一條主機命令。
4 結語
實踐證明，上述方法具有結構簡單、工作可靠的特點，完全符合hart協議，具有較好的通用性。
由於hart眾多不容置疑的優點，使得它成為全球應用最廣的現場通信協議，已成為工業上實用的標準。因此在今後很長一段時期內，hart協議產品在國內仍然具有十分廣闊的市場。