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HART协议在二线雷达物位计中的应用方案
介绍了HART协议在二线雷达物位计中的应用方案。利用HART协议的命令和扩展功能实现了回波曲线等长数据的可靠传输。实际应用表明此方案方便有效，具有良好的应用价值。
HART通信协议是由HART通信基金会（HCF）发布的一种兼容4~20mA信号的总线协议。目前得到行业内大多数公司的支持，广泛应用于智能仪表行业中，据统计，有2/3以上的智能仪表采用了HART协议。
HART协议参照OSI架构，使用了其中的物理层、链路层和应用层。
1.1物理层
采用Bell202通信标准的FSK调制，波特率固定为1200bps，逻辑1以1200Hz表示，逻辑0以2200Hz表示。
1.2链路层
每个字节包括1位起始位、8位数据、1位奇校验和1位停止位。数据帧格式如下：
*地址：设备地址（1或5字节），由定界符的b7
*扩展字节：0~3字节，由定界符的b6b5
*命令号：1字节，指示具体命令
*字节计数：1字节，指示数据段的字节长度
*校验字节：1字节，从定界符到数据段所有字节的异或和。
1.3应用层
定义了基于命令号的命令集。每条命令规定了不同的读/写操作。命令集包含三类命令：
通用命令（Universal Commands）：命令号为0～31，所有HART设备必须实现全部的通用命令。
普通命令（Common Practice Commands）：命令号为32~127，提供了大多数现场设备的常用操作。厂商可以选择使用其中的部分或全部命令。
命令（Device SpecificCommands）：命令号为128~255，针对具体设备的特殊性而设立，由厂商定义命令的具体操作。
的应用
雷达物位计是基于调频连续波原理（FMCW Fre-
quency Modulated Continuous Wave）设计的。使用线性调频高频信号，发射频率随一定的时间间隔线性增加。由于发射频率是随着时间变化的，经被测物体反射回来的接收频率与发射频率之间的差值Af就与被测物体的距离成比例，因此通过计算Af就能获得被测物体与天线之间的距离。
在二线雷达物位计的设计中采用了HART6总线解决方案。主要设计指标如下：
*可与任何支持HART协议的手操器或控制系统互连；
*采用二线制，电源为+24V直流电源，直流输出电流要求达到3.55~22mA范围；
*通过键盘、上位机或手操器设定标签、零点、量程、输出电流、单位、轮询号和阻尼时间等；
*通过下位机的液晶显示屏或者上位机能查看回波曲线、包络线、历史记录，通过上位机设置和读取非线性映射曲线；
*通过上位机或手操器进行仿真，以及设置和备份组态；
*与上位机、手操器点对点通信，或者多点（Mul-tidrop）组网；
*支持中文和英文切换。
*支持中文和英文切换。
系统实现的难点是在低功耗条件下实现稳定运行和可靠通信。硬件使用3V电源，全部采用低功耗器件。传感器由射频天线和射频处理板构成，负责射频信号的发射接收和自相关计算；EEPROM用于保存组态参数和历史数据；外部RAM存放字库、曲线等大数据；CPU负责回波数据处理算法、键盘控制、显示控制、电源管理以及通信接口等功能，CPU与EEPROM、键盘和液晶显示控制器之间采用I2C总线通信。
HART信号的调制和解调采用HT20C15PL芯片实现。
图1是系统原理框图。
软件上则需要进行严格的电源控制，对空闲状态的硬件模块停止供电。数据处理算、功能菜单和LCD显示等模块的程序实现都要求尽量简捷合理，严格控制RAM的使用空间。
通信接口固定使用被动方式，只有在接收到命令时才做出响应。HART协议模块实现了HART6协议中提供的全部通用命令以及部分普通命令。此外，协议模块还使用了若干命令来传输回波曲线、包络线、映射曲线等数据，这些数据的长度都在几百至几千字节。由于HART帧的长度指示只有一个字节，多只能支持255个字节传输，因此必须考虑用其他方法解决。
方法一，利用协议提供的块数据传输（Block Data Transfer）命令111和命令112，将大数据分成若干个小块，分别编号后逐个传输。这样做的缺点是显而易见的，，需要另外实现复杂的传输层控制，发送端需要实现数据分块，接收端进行数据重组，每一个分块的传输都要经过一来一回进行确认，增加传输时间，并且要实现复杂的差错控制和重传机制。第二，通信双方需要更大的内存开销，下位机的内存空间和功耗指标都难以支持。
方法二，用设备命令实现，利用协议扩展字段，将大数据在一帧里面传输。这样的好处是，算法简单，通用命令、普通命令和命令都使用相同的处理机制，节省内存，并且速度更快。
对命令增加两个扩展字节，个字节用于存放帧长度的高8位，帧长度的低8位仍然在HART帧的长度指示字节传输；因此，理论上扩展后的HART帧可以传输65536个字节数据。另一个扩展字节传输头校验，即定界符、命令号、扩展字节、帧长度字段按字节异或的结果值，这个校验主要的作用是确保收到正确的帧长度指示，并且使得本设备的命令不与其他仪表的命令混淆。
扩展后的帧格式如下：
定界符的b6b5为10，指示使用了2个扩展字节，命令号在命令的128~255中选择。
HT20C15在空闲时处于解调状态，当有数据到来时，如果地址匹配，则判断是否命令，如果是命令则必须通过头校验才进行处理，以便确认帧长度指示正确，并且是本设备的命令，否则忽略该命令。在提取帧长度时，命令需要计算在扩展字节中传输的高8位，其他处理与通用命令和普通命令相同。由于HART协议采用半双工通信，并且是固定速率，程序引入了超时机制，使通信更加可靠。图2是接收程序流程图。
按照图3的连接，二线雷达物位计分别与上位机和手操器进行了连接测试，手操器为Emerson公司的375 Field Communicator，测试过程中检验了程序实现的所有通用命令和普通命令，通信稳定可靠，反复进行断线/重连测试，下位机能正常通信。物位计与配套开发的上位机进行连接测试时，须经过HARI/RS232双向转换器，上位机是一台运行监控软件的PC机。测试表明，通过上位机设置物位计参数、设置读取映射曲线、显示回波曲线等操作都能顺畅进行，*符合设计指标。
HART协议在工业控制领域具有广泛的应用，随着智能仪表的功能变得越来越复杂，对通信总线的要求也越来越高，本文介绍的HART协议应用方案在二线雷达物位计中获得了良好应用。对于其他智能仪表的设计，该方案也可以作为参考。
HART协议在二线雷达物位计中的应用方案
