哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）
摘 要
现场总线是目前国际上过程控制领域的一个热点，通过现场总线数字通信技术可以延伸到现场级仪表，给控制体系带来一场革命。考虑到我国目前传统的基于4～20mA的模拟设备仍然广泛的应用于工业控制，为满足从模拟到全数字的过渡HART协议应运而生。该协议基于Bell202通信标准，在4～20mA的模拟信号上叠加不同的频率信号来传送数字信号。其特点是在现有的模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，由于这项技术属于承前启后的研究，所以，在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。
本文主要讨论HART协议通信模块的硬件相关方面的设计。首先，论文对HART协议做了较全面的分析。HART协议采用ISO/OSI简化模型，ISO/OSI分为七个功能层，HART协议只用了第一、二、七层即物理层、数据链路层和应用层。其中物理层规定了信号的传输方式以及信号电平等内容，数据链路层规定了设备类型以及数据传输帧格式，应用层规定了HART协议的各种命令及响应码。其次，论文以HART协议为通信标准，提出了通信板的硬件设计的总体方法。论文在介绍了HART协议的基础上着重研究了硬件设计，硬件上较为详尽的介绍了各个组成模块——微处理器模块、电流环模块、调制解调器模块的功能和实现方法。
关键词：现场总线；HART协议；通信模块；ADuC812单片机
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Abstract
Nowadays,fieldbus technique became very important in the world of process control,through which digital communication is used to fields instruments,this leads to a revolution to control systems.However,4～20mA analog signal instruments alse have a large application in industry,the HART communication protocol—a transitional protocol during transition from analog system to digital system—emerges as the times require.Based on Bell202 communication standards,HART protocol transfer data with different frequency signals and plus with analog signals of 4～20mA.It is characteristic that realizes digital communication in the transmission of analog signals,it has strong competition in this interim period and grows quickly because of this technology belongs to research of link between the preceding and the following.
In this paper, it mainly focuses on HART protocol communication module hardware-related aspects of the design. Firstly, the thesis does a fairly comprehensive analysis of the HART protocol. it adopt a predigested mode of OSI/ISO in which have seven functional layers,only three layers havebeen used in HART protocol.Physical Layer specifies the transmittal manner of signal and voltage of signal,Data Link Layer specifies the device type and format of data transmit,Command Layer specifies all kinds of HART command and reoponse codes. At the basis of HART protocol ,it focused on studying hardware design.
Secondly,being based upon HART protocol,the Overall approach about Hardware Design of communication circuit board is introduced, the detailed hardware are introduced,including the single-chip microcomputer module,the sensor module,the communication module and A/D、D/A module.
Keywords: fieldbus,HART protocol, Communication Module, ADuC812 MCU
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目 录
摘要 .............................................................................................................................. I Abstract ...................................................................................................................... II 第1章 绪论
1.1课题背景及研究的目的和意义 ..................................................................... 1 1.2国内外在该方向的研究现状及分析 ............................................................. 1
1.2.1国外研究现状......................................................................................... 1 1.2.2国内研究现状......................................................................................... 3 1.3 HART通信协议主要特点 ............................................................................... 4 1.4本课题主要研究内容....................................................................................... 5 第2章 HART协议规范
2.1 HART协议规范简介 .......................................................................................... 6 2.2 物理层规范 ......................................................................................................... 7 2.3 数据链路层规范 ................................................................................................. 8 2.3.1 HART协议帧格式 ..................................................................................... 9 2.3.2 设备类型 .................................................................................................. 10 2.3.3 通讯方式 .................................................................................................. 10 2.4 应用层规范 ....................................................................................................... 11 2.5 三层之间的功能关系 ....................................................................................... 12 2.6 本章小结 ........................................................................................................... 13 第3章 ADuC812单片机简介
3.1 微处理器的选择 ............................................................................................... 14 3.2 ADuC812的主要功能 ...................................................................................... 14 3.3 ADuC812芯片功能框图及引脚说明图 .......................................................... 15 3.4 本章小结 ........................................................................................................... 19 第4章 通信板总体设计相关内容
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4.1 外围芯片选取 ................................................................................................... 20 4.1.1 AD421原理及功能 .................................................................................. 20 4.1.2 HT2015芯片介绍及功能分析................................................................. 25 4.2 硬件总体设计相关内容 ................................................................................... 28 4.3本章小结 ............................................................................................................ 30 第5章 通信板各个模块的具体设计
5.1 微处理器模块 ................................................................................................... 31 5.1.1 上电复位模块设计 .................................................................................. 31 5.1.2 时钟振荡电路设计 .................................................................................. 31 5.2 HART通信模块 ................................................................................................ 33
5.2.1 HT2015与其他器件接口 ................................................................. 33 5.2.2 HT2015与AD421的接口及外围电路设计 ................................... 34 5.3 整体通信板设计电路图 ................................................................................... 34 5.4 本章小结 ........................................................................................................... 37 结论 ............................................................................................................................. 38 参考文献 ..................................................................................................................... 39 致谢 ............................................................................................................................. 40 附录1 .......................................................................................................................... 41 附录2 .......................................................................................................................... 46
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第1章 绪 论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。因为兼容传统4-20mA模拟系统的HART通信协议的诸多优点，所以得以迅速占领市场，并不断地进行发展，目前已被世界上大部分的现场设备所采用，成为智能工业控制领域事实上的国际标准。它的特点是在现有的模拟信号传输线上实现数字信号通讯，属于模拟控制系统向数字控制系统转变的过渡过程，因而在当前的过渡时期得到了较快的发展[4]。
ADuC812 芯片是美国AD(Analog Device) 公司推出的ADuC8 ** 系列处理器,其高性能和高精度转换技术,使得数据采集系统实现高性能、微型化、十分富有竞争力。ADuC812 的应用开发方便,其内核是国内技术人员很熟悉的Intel8051 ,缩短了开发周期。由于ADuC812 可通过特殊功能寄存器控制ADC、DAC、I^2 C等外围芯片,故其APD 转换程序、DPA 转换程序、I^2 C都较传统的8051 加外围芯片的结构来得简单、容易。此外,ADuC812 可以通过PC 机的串行口直接加载程序对芯片编程,这使得开发调试变得很方便,实现控制系统的可编程功能。
综上所述可以看出，HART通信方案的研究与应用在工业控制系统和自动化过程控制中是一个十分有研究价值的课题。针对工业领域中一些共性的应用领域，而且在实际应用中所占比例较大，比如厂房温度湿度监控、水位监测、压力监测、气体或液体泄漏监测以及家居智能化，居住环境智能化等等，这类系统的现场设备向系统或操作员报告一个反映短期操作结果的状态数据，用于系统维护。
1.2 国内外在该方向的研究现状及分析
1.2.1 国外研究现状
从80年代开始，随着微电子学的发展，导致具有微处理器的智能变送器、控制器和集散系统（DCS）的普遍应用，这些智能化的现场设备可以直接完成许多控制功能，这也正是智能化仪表的显著优点之一[10]。因此，现场设备与基于微处理器的控制室自动化设备间需要传输的信息量大增。原有的4～20mA模拟
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