專利名稱：分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)hart現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議主設(shè)備的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)HART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議主設(shè)備的方法，特別是涉 及在HART主設(shè)備中實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議的應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層與物理層的方法。
背景技術(shù)：
HART協(xié)議最早由美國(guó)Rosemount公司提出，因?yàn)閷?duì)傳統(tǒng)儀表具有兼容性，得 到了廣泛的應(yīng)用。80年代末期，由國(guó)外幾家大型儀表制造廠商，聯(lián)合成立了 HART 基金會(huì)組織(HART Communication Foundation,簡(jiǎn)稱HCF)，工作職責(zé)包括HART 規(guī)范的維護(hù)和推廣、注冊(cè)會(huì)員的管理、測(cè)試認(rèn)證及儀表互操作管理等。目前全球 共有兩百多家HART注冊(cè)會(huì)員，符合HART協(xié)議的智能儀表上千種，品種覆蓋了 幾乎所有的過(guò)程自動(dòng)化儀表，如壓力、溫度、流量、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。
HART協(xié)議的特點(diǎn)是它采用OSI的簡(jiǎn)化模型，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用 層三層結(jié)構(gòu)。HART協(xié)議作為一種主從式通信協(xié)議，分為主設(shè)備和從設(shè)備，由主 設(shè)備作為數(shù)字通信的發(fā)起者，從設(shè)備作為應(yīng)答者。用于工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的各種 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備， 一般作為HART協(xié)議的從設(shè)備，接收來(lái)自HART主設(shè)備的數(shù)字信號(hào)， 并將各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)狀態(tài)回送給HART主設(shè)備。HART協(xié)議包括工控PC機(jī)系統(tǒng)和手 持操作器兩類主設(shè)備。PC機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)HART通信是一種功能豐富、使用靈活的方 式，它會(huì)涉及接口硬件和通信軟件的問(wèn)題。
HART通信協(xié)議規(guī)范的主設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換極為復(fù)雜，HCF發(fā)布的HART協(xié)議規(guī) 范規(guī)定，主設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型有三種狀態(tài)WATCHING、 ENABLED和USING, 其中接收、發(fā)送消息和RT1、 RT2定時(shí)器在主設(shè)備的各個(gè)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換起決定作 用。協(xié)議中的定時(shí)器數(shù)值需要一些關(guān)于作為基礎(chǔ)的物理層數(shù)據(jù)鏈路層的軟件和硬 件設(shè)置，從設(shè)備時(shí)間定時(shí)與所有的從設(shè)備都有關(guān)，并且對(duì)于所有的從設(shè)備都相同， 主設(shè)備與從設(shè)備通信必須基于這些規(guī)定計(jì)算RT1、 RT2。
HART協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層一般由PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，物理層由HART通信
接口實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)上HART通信接口的轉(zhuǎn)換方有RS232/485和USB方式，HART通 信接口實(shí)現(xiàn)HART通信協(xié)議的物理層，PC機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)HART通信協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路 層和應(yīng)用層協(xié)議，要求PC機(jī)的計(jì)算來(lái)完成HART數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層的功能。 但隨著用戶對(duì)采取多種通信轉(zhuǎn)換方式的需求，及無(wú)線通信的發(fā)展趨勢(shì)，如紅外或 藍(lán)牙通信方式，而我們的PC機(jī)上并非運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這種方式組成的主設(shè)備 不能保證按照RT1、 RT2的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)范，這在 工業(yè)上推廣應(yīng)用HART協(xié)議通信設(shè)置了障礙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提高HART協(xié)議主設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性、適應(yīng)性，提 供一種分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)HART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議主設(shè)備的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)HART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議主設(shè)備的方法， 其特點(diǎn)是，HART主設(shè)備由一臺(tái)運(yùn)行WINDOWS操作系統(tǒng)的PC機(jī)運(yùn)行上位機(jī)軟 件和一個(gè)帶有單片機(jī)的HART通信接口組成，上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議應(yīng)用層， HART協(xié)議的應(yīng)用層為HART命令，HART主設(shè)備通過(guò)所述的HART命令辨別對(duì) 方設(shè)備信息的含義；HART通信接口實(shí)現(xiàn)HART物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，HART協(xié) 議規(guī)定了物理層采用基于Bdl202通信標(biāo)準(zhǔn)的FSK技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈路層建立一種主 設(shè)備與從設(shè)備間的雙向數(shù)字通信通道，對(duì)各個(gè)設(shè)備間的訪問(wèn)進(jìn)行仲裁，數(shù)據(jù)鏈路 層協(xié)議按照狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型描述實(shí)現(xiàn)。
所述的HART主設(shè)備的上位機(jī)軟件應(yīng)用高級(jí)語(yǔ)言丌發(fā)，它主要完成HART應(yīng) 用層的數(shù)據(jù)處理，即按照HART協(xié)議，對(duì)HART命令進(jìn)行組幀，其數(shù)據(jù)格式有無(wú) 符號(hào)整數(shù)、正EE754浮點(diǎn)數(shù)據(jù)、ASCII數(shù)據(jù)，及壓縮ASCII數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)按先 高位后低位的順序傳輸，發(fā)送和接收命令，對(duì)地址和響應(yīng)碼信息的處理，通過(guò)這 些命令辨別對(duì)方設(shè)備信息含義，根據(jù)每臺(tái)HART從設(shè)備的設(shè)備描述，對(duì)接收到的 數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，對(duì)采用紅外或藍(lán)牙無(wú)線方式通信的編寫相應(yīng)的接口驅(qū)動(dòng)。
所述的帶有單片機(jī)的HART通信接口 ，利用HART通信專有芯片實(shí)現(xiàn)HART 信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，獲得的信號(hào)通過(guò)UART端口傳送給單片機(jī)。單片計(jì)算處理接 收到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)HART數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，即實(shí)現(xiàn)HART主設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；通 信接口選用具有雙UART端口的單片機(jī)，把狀態(tài)轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過(guò)另一個(gè)UART端
口送給通信模塊，專用的紅外芯片或藍(lán)牙芯片以無(wú)線協(xié)議與PC機(jī)建立連接，把單 片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，通信接口具有雙向通信功能，同時(shí)要把從PC機(jī) 發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)傳給從設(shè)備。
應(yīng)用本方法設(shè)計(jì)的HART主設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 上位機(jī)軟件只負(fù)責(zé)HART應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，不必考慮數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)時(shí)性要求， 因而可以實(shí)現(xiàn)紅外或藍(lán)牙等無(wú)線通信方式，滿足了用戶的無(wú)線通信需求。
2、 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的HART命令，具有編程方便、靈活的特點(diǎn)，適合 HART命令包括了通用命令、普通應(yīng)用命令和專用命令復(fù)雜算法編寫，特別是專 用命令的不統(tǒng)一性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定從設(shè)備的通信，增強(qiáng)上位機(jī)軟件的互操作能 力。
3、 由HART通信接口完成HART的數(shù)據(jù)鏈路層處理，確保通信過(guò)程符合HART 協(xié)議規(guī)定的仲裁與時(shí)限常量。
4、 HART通信接口通過(guò)單片機(jī)計(jì)算實(shí)現(xiàn)HART的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，HART專 用芯片支持的物理層，紅外或藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線透明傳輸，集成度好， 可靠性高。


圖l主設(shè)備HART協(xié)議各層的分布框架； 圖2上位機(jī)軟件功能模塊； 圖3上位機(jī)軟件運(yùn)行流程； 圖4通信接口功能模塊； 圖5單片機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型； 圖6HART主設(shè)備示意圖。
具體實(shí)施例方式
由圖l所示，這是本發(fā)明所表示的主設(shè)備中各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)HART通信協(xié)議各 層的框架包含關(guān)系圖。HART主設(shè)備101由預(yù)裝有WINDOWS操作系統(tǒng)的PC機(jī)
運(yùn)行上位機(jī)軟件102和帶有單片機(jī)的HART通信接口 103組成。上位機(jī)軟件完成 HART應(yīng)用層104協(xié)議，HART通信接口實(shí)現(xiàn)HART數(shù)據(jù)鏈路層105和物理層106 協(xié)議。
由圖2所示，圖上所表示的是上位機(jī)軟件各功能模塊。采用高級(jí)語(yǔ)自'編寫上 位機(jī)軟件201，實(shí)現(xiàn)HART應(yīng)用層的通用命令202、普通應(yīng)用命令203和專用命令 204的功能，并且要對(duì)命令中的變量數(shù)據(jù)處理并顯示給用戶205。對(duì)于采用紅外或 藍(lán)牙通信的轉(zhuǎn)換方式，編寫相應(yīng)的端口驅(qū)動(dòng)模塊206。由圖3所示，顯示了上位機(jī) 軟件運(yùn)行流程。程序開始初始化端口，發(fā)送0號(hào)命令找到從設(shè)備，然后循環(huán)等待 響應(yīng)用戶的操作并處理從設(shè)備發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。
圖4表示的是HART通信接口各功能模塊。通信接口 401主要包括紅外或藍(lán) 牙通信模塊402，選擇具有標(biāo)準(zhǔn)UART通信的芯片，與單片機(jī)模塊403的UART 直接相連。單片機(jī)存儲(chǔ)從上位機(jī)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，按照HART數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，實(shí) 現(xiàn)主設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換，處理以后通過(guò)另一個(gè)UART端口傳送給HART調(diào)制解調(diào)模塊。 圖5所示為單片機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型。調(diào)制解調(diào)芯片404為HART專用的芯片， 基于Bdl202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào),在低頻的4 20mA模擬信號(hào)上疊加音頻數(shù) 字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通信。音頻數(shù)字信號(hào)的幅度為0.5mA，數(shù)據(jù)傳輸率為1200bps， 其中1200Hz代表邏輯"1"， 2200Hz代表邏輯"0"。經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)符合HART 物理層協(xié)議，信號(hào)傳送給從設(shè)備，實(shí)現(xiàn)主設(shè)備對(duì)從設(shè)備的操作。其它模塊405包 括了電源電路、信號(hào)調(diào)理電路，放大電路等硬件，實(shí)現(xiàn)通信接口的其它功能。
圖6表示的是實(shí)現(xiàn)HART主設(shè)備的示意圖。上位機(jī)負(fù)責(zé)處理HART應(yīng)用層， 數(shù)據(jù)顯示與用戶交互，無(wú)線方式與通信接口數(shù)據(jù)交換。通信接口實(shí)現(xiàn)HART數(shù)據(jù) 鏈層和物理層協(xié)議，接收上位機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)行主設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并負(fù)責(zé)HART信 號(hào)的調(diào)制解調(diào)，同時(shí)從設(shè)備發(fā)送的HART信號(hào)由通信接口的HART調(diào)制解調(diào)芯片 接收，解調(diào)后的UART數(shù)據(jù)送達(dá)單片機(jī)，經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議轉(zhuǎn)換，傳到通 信芯片送出，上位機(jī)接收處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)的透明傳送。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例上位機(jī)采用INTEL公司生產(chǎn)的pIV芯片作為CPU的兼容機(jī)，裝有 WINDOWS XP操作系統(tǒng)，選用帶有USB接口的紅外適配器作為無(wú)線通信收發(fā)器。
VC開發(fā)上位機(jī)軟件，編寫HART應(yīng)用層的各種命令，編寫友好用戶界面顯數(shù)據(jù)、 響應(yīng)操作，紅外端口驅(qū)動(dòng)程序。通信接口的單片機(jī)選用Freescale公司的 MC9S12E64，該芯片具有兩個(gè)UART端口 ，運(yùn)行C語(yǔ)言開發(fā)的HART主設(shè)備狀態(tài) 轉(zhuǎn)換協(xié)議。紅外通信選擇Microchip公司的MCP2150芯片，能夠處理IrDA標(biāo)準(zhǔn) 協(xié)議，位編碼/解碼，在DCE和紅外收發(fā)器之間操作。支持9600， 19200， 57600， 115200波特率，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)數(shù)據(jù)交換。芯片A5191和有源濾波器、隔離變壓器、 電壓調(diào)整芯片TPS7250等，實(shí)現(xiàn)HART信號(hào)的調(diào)制解調(diào)。
權(quán)利要求
1.一種分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)HART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議主設(shè)備的方法，其特征在于，HART主設(shè)備由一臺(tái)運(yùn)行WINDOWS操作系統(tǒng)的PC機(jī)運(yùn)行上位機(jī)軟件和一個(gè)帶有單片機(jī)的HART通信接口組成，上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議應(yīng)用層，HART協(xié)議的應(yīng)用層為HART命令，HART主設(shè)備通過(guò)所述的HART命令辨別對(duì)方設(shè)備信息的含義；HART通信接口實(shí)現(xiàn)HART物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，HART協(xié)議規(guī)定了物理層采用基于Bell202通信標(biāo)準(zhǔn)的FSK技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈路層建立一種主設(shè)備與從設(shè)備間的雙向數(shù)字通信通道，對(duì)各個(gè)設(shè)備間的訪問(wèn)進(jìn)行仲裁，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議按照狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型描述實(shí)現(xiàn)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)HART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議主設(shè)備的方法，其 特征在于，所述的HART主設(shè)備的上位機(jī)軟件應(yīng)用高級(jí)軟件開發(fā)，它主要完成 HART應(yīng)用層的數(shù)據(jù)處理，即按照HART協(xié)議，對(duì)HART命令進(jìn)行組幀，其數(shù) 據(jù)格式有無(wú)符號(hào)整數(shù)、正EE754浮點(diǎn)數(shù)據(jù)、ASCII數(shù)據(jù)，及壓縮ASCII數(shù)據(jù)， 這些數(shù)據(jù)按先高位后低位的順序傳輸，發(fā)送和接收命令，對(duì)地址和響應(yīng)碼信息 的處理，通過(guò)這些命令辨別對(duì)方設(shè)備信息含義，根據(jù)每臺(tái)HART從設(shè)備的設(shè)備 描述，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，對(duì)采用紅外或藍(lán)牙無(wú)線方式通信的編寫相應(yīng) 的接口驅(qū)動(dòng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)HART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議主設(shè)備的方法，其 特征在于，所述的帶有單片機(jī)的HART通信接口，利用HART通信專有芯片實(shí) 現(xiàn)HART信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，獲得的信號(hào)通過(guò)UART端口傳送給單片機(jī)，單片 計(jì)算處理接收到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)HART數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，即實(shí)現(xiàn)HART主設(shè)備的 狀態(tài)轉(zhuǎn)換；通信接口選用具有雙UART端口的單片機(jī)，把狀態(tài)轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過(guò) 另一個(gè)UART端口送給通信模塊，專用的紅外芯片或藍(lán)牙芯片以無(wú)線協(xié)議與 PC機(jī)建立連接，把單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，通信接口具有雙向通信 功能，同時(shí)要把從PC機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)傳給從設(shè)備。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)HART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議主設(shè)備的方法，其 特征在于，所述的所述的HART主設(shè)備的上位機(jī)軟件包括各功能模塊，采用高 級(jí)語(yǔ)言編寫上位機(jī)軟件(201)，實(shí)現(xiàn)HART應(yīng)用層的通用命令(202)、普通應(yīng) 用命令(203)和專用命令(204)的功能，并且要對(duì)命令中的變量數(shù)據(jù)處理并 顯示給用戶(205)，對(duì)于采用紅外或藍(lán)牙通信的轉(zhuǎn)換方式，編寫相應(yīng)的端口驅(qū) 動(dòng)模塊(206)。根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)HART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議主設(shè)備的方法，其 特征在于，所述的HART通信接口各功能模塊，通信接口 (401)主要包括紅 外或藍(lán)牙通信模塊(402)，選擇具有標(biāo)準(zhǔn)UART通信的芯片，與單片機(jī)模塊 (403)的UART直接相連。單片機(jī)存儲(chǔ)從上位機(jī)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，按照HART 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)主設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換，處理以后通過(guò)另一個(gè)UART端口傳送 給HART調(diào)制解調(diào)模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)HART現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議主設(shè)備的方法，特點(diǎn)是，HART主設(shè)備由一臺(tái)運(yùn)行WINDOWS操作系統(tǒng)的PC機(jī)運(yùn)行上位機(jī)軟件和一個(gè)帶有單片機(jī)的HART通信接口組成，上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議應(yīng)用層，HART通信接口實(shí)現(xiàn)HART物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。本方法的優(yōu)點(diǎn)是，上位機(jī)軟件只負(fù)責(zé)HART應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)紅外或藍(lán)牙等無(wú)線通信方式；上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的HART命令，具有編程方便、靈活的特點(diǎn)；由HART通信接口完成HART的數(shù)據(jù)鏈路層處理，能確保通信過(guò)程符合HART協(xié)議規(guī)定的仲裁與時(shí)限常量。HART通信接口通過(guò)單片機(jī)計(jì)算實(shí)現(xiàn)HART的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，紅外或藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線透明傳輸，集成度好，可靠性高。
文檔編號(hào)H04L29/06GK101188610SQ200710172029
公開日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月11日
發(fā)明者趙郁峰 申請(qǐng)人:上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所