[发明专利]基于单片机的HART调制解调器及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于单片机实现、可支持HART（Highway Addressable Remote Transducer，可寻址远程传感器高速通道）协议的调制解调器，同时也涉及该HART调制解调器实现解调的方法，属于工业自动化技术领域。

背景技术

随着工业自动化的快速发展，PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）、DCS（Distributed Control System，分布式控制系统）等自动控制设备在工业现场得到大规模应用。这对工业现场的通信保障能力提出了越来越高的要求。一方面，工业现场中以变送器为代表的外围设备需要与控制设备随时随地进行通信；另一方面，在通信过程中需要采用寻址手段，以便大幅度简化控制设备和外围设备的连接方式。

在现有技术中，业界公认HART协议是满足上述要求的有效技术解决方案。HART协议是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于解决现场智能仪表和控制设备之间通信问题的协议，已经成为全球智能仪表的工业标准之一。目前，以4～20mA电流环为代表的测量控制方式在工业自动化领域中占据主流地位，并将延用相当长的一段时间。HART协议作为一种兼容传统4～20mA电流环的通信协议，有着旺盛的生命力和广阔的市场前景。

HART协议具有如下的技术特点：

1.采用基于Bell202标准的FSK（频移键控）信号，在低频的4～20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通信，数据传输速率可为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制设备的模拟信号大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。

2.采用半双工的通信方式，在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信。HART协议属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。

3.采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用DDL语言描述现场设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL语言来理解现场设备的特性参数。

实现HART协议的核心技术在于调制解调器，然而专用的HART调制解调器仅有少数几个芯片厂家供货，价格偏高，且供货周期不易保证。另一方面，单片机作为一种通用器件，经过近一二十年的快速发展，在高集成度、高性能、低功耗、低成本等方面取得了长足的发展，特别是集成了ADC、DAC、比较器等模拟外设后，配合典型的定时器、M SART、GPIO等，可以在一个单片机上实现一个完整的小系统。如果将HART调制解调器视为一个小系统的话，选择合适的单片机来实现这个小系统，可以实现更高的性价比。

为此，专利号为ZL 02160544.0的中国发明专利提供了一种基于单片机的调制解调器及其实现HART协议信号传输的方法。该HART调制解调器包括一个单片机，以及设置在该单片机内的HART信号解调单元、HART信号调制单元、以及一个I/O输出端口寄存器、异步串行接收模块、HART协议信号链路解析和命令处理器。相应的方法包括以下步骤：a.先将HART正弦波信号经过带通滤波后变成频移键控方波后从单片机的管脚输入到HART信号调制单元；b.经HART信号调制单元解调后输出逻辑“0”、“1”信号到I/O输出端口寄存器；c.通过单片机管脚将逻辑“0”、“1”信号输入到异步串行接收模块；d.异步串行接收模块接收经过解调的HART通信帧，再送到HART协议信号链路解析和命令处理器对通信帧进行链路解析和命令处理，获得逻辑“0”、“1”信号送到信号调制单元进行信号调制；e.经解调后产生频移键控方波从单片机的管脚输出，通过波形整形后输出HART正弦波信号传输出去。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题是提供一种HART调制解调器。该HART调制解调器基于单片机实现，可以解决现有技术中成本偏高、供货渠道单一等问题。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供上述HART调制解调器实现解调的具体方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种HART调制解调器，其特征在于：

所述HART调制解调器包括半双工控制模块、调制模块、解调模块、并串转换模块、串并转换模块、接收数据模块、发送数据模块、缓冲/滤波/隔直模块、周期模块、门限模块、滤波/偏置模块、隔离模块和输入输出模块；其中，