基于MSP430的HART协议流量计设计

翟会

（南京航空航天大学，南京 2100 16）

0 引言

HART协议是从模拟量通信到数字量通信转变的一个过渡性协议。它是事实上的工业标准[1]，扩展了现场设备仪表的数字通信能力。在各类智能仪表、数据采集终端有着广泛的应用[1]。

HART协议采用在4~20mA电流环路上叠加mA的FSK信号来实现模拟通信和数字通信的功能。数字信号用两种不同频率的正弦信号来表示，1200Hz代表数字逻辑“1”，2200Hz代表数字逻辑“0”。应用层的功能通过HART命令来实现。

由于HART协议需要使用4~20mA电流环路作为模拟通信方式[2,3]，所以为了防止对模拟通信线路的影响，系统的功耗电流必须小于4mA，工程实际需控制在3.5mA以下。MSP430为TI公司开发的超低功耗单片机，具有超低功耗、处理能力强、片上资源丰富、适合工业运行环境等特点。符合HART通信协议的智能仪表需求。

1 系统硬件设计

1.1 MSP430单片机

MSP430系列单片机是TI公司专门为超低功耗应用研制的16位单片机，其功耗低至200uA/MHz，广泛的应用于消费类电子、便携式医疗仪器、各类数据仪表中。

1.2 HT20C15

HT20C15是Smar公司生产的单片CMOS微功耗HART调制解调器，它只需要外接少量的无源器件即可满足HART协议物理层的需求，可以实现调制、解调、接收滤波、载波检测和信号整形等功能。

HT20C15包含4个功能模块：数据调制器和波形整形、载波检测、信号接收和解调以及时钟振荡器。

HT20C15需要460.8kHz（误差不超过±1%）外部时钟输入，3.3V-5.0V供电。

HT20C15调制解调器是半双工的，调制器和解调器只能同时有一个在工作，工作在贝尔202标准，FSK频率为1200Hz和2200Hz，调制解调速率为1200bps。

1.3 AD421

AD421是AD公司专为HART协议仪表设计的，用于将数字信号转换为±0.5mA的频率信号，叠加在4-20mA的电流环路上[4]。它同时还具有开关电流源和滤波器功能模块，能够输出2.5V和1.25V参考电压用于自身和系统其他器件，为应用带来极大方便。AD421能够提供3V、3.3V或5V电压给其他器件供电，它有两种工作模式：0mA-40mA普通输出方式和3.5～24mA报警输出方式。

HT20C15和AD421之间的连接电路如图3所示。

图1 MSP430的接口及外围电路Fig.1 MSP430 interface and peripheral circuit

图2 HT20C15中解调器解调示意图Fig.2 HT20C15 in modem demodulation schemes

图3 HT20C15和AD421连接电路Fig.3 HT20C15 and AD421 connection circuit

2 软件设计

HART协议每个字节包含1位起始位，8位数据位，1位奇偶校验位和1位停止位。HART消息帧数据长度不固定，最长25个字节，寻址范围为0～15，当地址为0时，处于DC与数字通信兼容模式，当地址为1～15时，处于全数字通信模式。系统软件主要包括测控程序和HART通信程序。系统软件负责对系统进行初始化，完成数据采集、数据处理、串口设置、数据输出等功能。

3 结束语

上述基于MSP430单片机的HART协议流量计，实践证明实验方法可行，工作稳定，各项性能指标良好，较易改装成其他HART仪表，具有一定的实用价值和参考价值。

[1]高琦.用MSP430开发基于HART协议的智能仪表[J].自动化仪表,2003,24(9):36-38.

[2]余芳,陈琛.遵循HART协议的智能变送器的通信软件的设计[J].福建电脑,2006,18(9):130-132.

[3]顾伟,费元春,周建明.基于A5191HRT和AD421的HART协议通信模块的设计与实现[J].今日电子,2004,12(2):70-71.

[4]刘焕成,刘智勇,严征琦,等.基于HART协议的智能变送器设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2001,6(4):15－16.