哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）
直流回路，只可以在一根两芯电缆中单向传输一个参数。所以，4～20mA这种信号标准已成为当前控制系统发展的重要瓶颈。为此，在现场设备和控制系统之间，迫切需要一种全数字化的、双向、多变量的通信规范，来代替正在流行着的4～20mA单变量、单向模拟传输模式。
鉴于这种情况，国际电工技术委员会（IEC）从1985年就开始着手制订国际性的智能化现场设备和控制室自动化设备之间的通信标准，并命名为“Fieldbus”——现场总线[3]。从计算机网络体系结构的角度来看，根据国际标准化组织ISO（International Organization forStandardization）的推荐，最低一级的网络就是现场总线。它可以把全厂范围内的现场装置（如仪表等）连接起来，与控制系统实现全数字化通信。因此许多国际组织，例如国际电工委员会（IEC），美国仪表学会（ISA），ISP（Interoperable System Project），IFC，World FIP，FINT（Fieldbus International）等，多年来为制订现场总线标准做了大量工作。ISA的SP50委员会已进行了长达8年多的研究讨论，于1984年与IEC的TC65技术委员会的WG-6工作组共同提出了粗略的现场总线框架模型。该模型是国际标准化组织ISO开放系统互连OSI（Open System Interconnection）模型的简化型。OSI模型原本有互相独立的7层：物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层，规定了每一层的功能及其对于上一层的服务。ISA和IEC提出的现场总线模型采用了其中的第1、2、7层，又增加了一个用户层，作为第8层。所以，该模型的4个功能层分别是：物理层、数据链路层、应用层和用户层。
ISP成立于1992年9月，包括有100多家公司，其中著名公司有：Fisher-Rosemount、日立、横河、E+H、SMAR、西门子、Modicon等，并于1994年推出了基于ISP技术的产品。ISP技术主要基于德国的PROFIBUS标准。其目标是开发一个单一的开放的并可相互操作的标准现场总线。该总线易于为用户和生产者所接受。
World FIP（Factory Instrumentation Protocol）工厂仪表世界协议集团。它是基于法国工业标准FIP草案而建立的起来，于1993年3月成立。成员包括Honeywell、AllenBrndly、ElsayBailey等120多个公司。其目标同样是为建立一种开放性的、相互兼容的现场总线。
LONworks现场总线：该总线对用于控制网络的所有7层都规定了服务内容，并提供了一整套开发技术，使得包括硅片，通讯收发机及PC接口软件等所有制造商处于平等地位。
鉴于目前现场总线的国际标准在短期内还难于统一，而正在大量使用着的4～20mA模拟现场设备也不可能在短时间内改造为适合于现场总线的现场设
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备，所以，在1986年，美国的Rosemount公司提出了一项过渡性标准HART通信协议。这是一个灵巧的通讯协议。它具有与现场总线类似的体系结构及总线式数字通讯功能。由于HART协议是在4～20mA模拟信号上叠加了频移键控FSK（Frequency Shift Keying）数字信号，因而，模拟和数字通讯可以同时进行。这就保证了4～20mA模拟系统与数字通讯系统可以兼容，可以在一根双绞线上连接多台现场设备，以构成多站网络。它具有现场总线的基本特点：支持双向、多变量、总线式的全数字通信，它包括ISO/OSI的物理层、数据链路层和应用层，但是，HART标准的数据传输速率较低（1200bps），而且只有“问答”和“广播”两种工作模式。目前，已有70余家公司支持并使用了HART协议，并于1993年成立了专门机构HCF（HART Communication Foundation）来发展HART协议。HART协议目前已被认为是事实上的工业标准，但是，它仅仅是一个过渡性协议，还不是现场总线[5]。
1.2.2 国内研究现状
每种现场总线将形成其特定的应用领域，未来能占有市场的总线将集中在少数有竞争力的总线上。现场总线的国际标准虽然已经制定出来了，但是市场上仍然活跃着十几种不同的总线上，其中有些总线并未被收录到国际标准当中。每一种总线都有其自身技术特点适合的领域。在本领域内，各种总线都极力扩大自己的市场份额和影响力，因此市场上的总线之争将越来越激烈。
我国现场总线标准是由IEC/TC65在国内的技术单位全国工业过程测量和控制标准化技术委员会（上海工业自动化仪表研究所）负责跟踪并制订的。目前，已完成了现场总线的物理层国家标准的制订工作。其它层的标准正在跟踪和制订过程中。HART协议是从模拟仪表向现场总线系统转变过程中出现的过渡技术，在一定时期内具有一定的生命力。目前，HART协议产品在国外已经非常成熟，并广泛应用在自动化控制领域中。由于HART通信协议是具有强大的通信技术，可充分挖掘数字现场设备的潜力。在保留传统的4～20mA电流信号的基础上，扩展了系统与现场设备之间进行双向数字通信的能力，且对智能设备通信提供了最好的解决方案。在应用的今天，HART协议提供了对现有安装设备向后兼容的独一无二的解决方案。这种向后兼容性使得现有模拟仪表在无需要改进的情况下可逐步实现数字化，从而大大降低成本，提高竞争力。
在智能变送器的通信协议中，目前国内外广泛使用的是HART通信协议，因为该协议具有模拟和数字通信能力，可以满足当前模拟仪表普遍存在及现有设备向后兼容的要求，据称95年美国Rosemount公司的智能化产品已占80%。我们
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国内也在开发自己的总线，由浙江大学牵头，并列为国家星火发展项目，据业内人士分析HART产品在国际上的使用寿命为15-20年左右，而我国由于客观条件所限，这类产品基本上被国外的厂家垄断，所以在国内这个时间会更长一些，在今后很长一段时间内，HART产品仍具有十分广泛的市场，广大用户迫切需要有我们自己的符合世界潮流的产品[10]。
1.3 HART通信协议的主要特点
1）模拟和数字通讯
HART协议智能仪表在不干扰4～20mA模拟信号的
同时允许双向数字通讯，4～20mA模拟和数字通讯信号能在一条线上同时传递。主要变量和控制信号信息由4～20mA传送，而另外的测量、过程参数、设备组态、校准及诊息在同一线、同一时刻通过HART协议访问。与其它过程仪表开放的数字技术不同的是，兼容现有系统。
2）灵活应用
HART基于主从协议原理这意味着只有在主站呼叫时现场设
备才传送信息。在一个网络中，两个主站（主和副）可以与一个从设备通讯。副主站，如手持终端，几乎可以连接在网络任何地方，不影响主站通讯的情况下与任何一个现场设备通讯。典型的主站可以是基于计算机的控制或监测系统。HART协议可以使用不同的模式进行智能现场设备与中央控制或监测设备的信息往返通讯。最常用的模式是在传送一模拟信号同时进行主/从数字式数字通讯。这种模式允许来自从设备的数字信息在主设备上每秒更新两次。4～20mA模拟信号是连续的，仍然可以载送控制的主要变量。Burst是可选的通信模式，允许单一的从站连续的广播一个标准的响应信息。这种模式将主站从为得到更新的过程变量信息而不断对从站发送命令请求的重复中解放出来。同样的响应信息连续的由从站广播，直到主站指示其他命令。采用Burst通信方式，根据选择的命令不同，数据更新为每秒3～4次。
3）强大的命令集 HART通讯基于命令，也就是说主站发布命令，从站作出响应。HART规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为普通操作命令，所提供的功能可以在许多现场设备尽管不是全部中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现，特殊功能这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。
4）拥有统一的设备描述语言
HART采用统一的设备描述语言，现场设备
开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些
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设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。
1.4 本课题主要研究内容
本课题的主要研究内容是通过对各种现场总线国内外发展现状和应用前景的对比，并考虑现阶段自动化控制领域的客观要求，研制一种能将HART通信协议通信接口电路，采用模块化的设计方案。主要围绕HART通信协议通信接口电路系统硬件的设计和实现进行。需要完成以下工作：
1）通过比较，确定系统总体方案及各个模块之间的连接和核心芯片的选取。 2）对硬件系统进行可行性分析和实现，进行整体电路的原理图的绘制以及PCB的绘制工作。
3）实现HART通信接口卡并对整个硬件电路安装调试。
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第2章 HART协议规范
2.1 HART协议规范简介
HART协议是基于Bell 202标准通信基础上发展起来的通信协议，使用频移键控FSK（Frequency Shift Keying）技术，在4～20mA过程控制模拟信号上叠加一个频率信号，它成功地使模拟信号与数字信号双向通信能同时进行，而不相互干扰。HART还可以在一根双绞线上以全数字的方式通信，支持15个现场设备的多站网络，并且能对现场仪表的各项特性进行清楚的描述。
HART协议的特点是具有与现场总线类似的体系结构，它以国际标准化组织的开放性互连模型OSI为参照，使用了OSI的第一、二、七层，各层结构如表2-1所示。
表2-1 HART协议的分层结构
分层 7 6 5 4 3 2 1 OSI层次 应用层 表达层 会晤层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 HART层次 HART命令 未使用 未使用 未使用 未使用 协议规范 Bell 202
其中HART协议物理层规范主要规定了连接物理媒体网络接口的机械、电气、功能和过程方面的特性。数据链路层规范规定了通信数据的结构、通信模式、用户接口以及错误检测方式等。应用层规范规定了HART协议通信的内容。在HART协议中规定了对等实体之间的通信规则,并通过上下层之间的接口服务来实现HART通信。通过这样的模式，可以在上位机与现场设备之间建立通信连接。HART协议的通信模型见图2-1。
如图2-1所示，HART协议的通信模型由五个独立的部分组成。其中用户/协议接口是数据链路层与应用层之间的服务，协议/物理层接口是物理层与数据链路层之间的服务。另外的三个部分：物理层、数据链路层和应用层，由它们组成了HART协议规范。在HART协议通讯的过程中，需要发送的信息会由源设
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