Принципы построения

Рис. 2.15. Суммирование аналогового и цифрового сигнала в HART-протоколе

При создании HART-протокола в 1980 году преследовалась цель сделать его совместимым с широко распространенным в то время стандартом "токовая петля", но добавить возможности, необходимые для управления интеллектуальными устройствами. Поэтому аналоговая "токовая петля" 4...20 мА была модернизирована таким образом, что получила возможность полудуплексного цифрового обмена данными. Для этого аналоговый сигнал   суммируется с цифровым сигналом    (рис. 2.15) и полученная таким образом сумма передается с помощью источника тока 4...20 мА по линии связи. Благодаря сильному различию диапазонов частот аналогового (0...10 Гц) и цифрового (1200 Гц и 2200 Гц) сигналов они легко могут быть разделены фильтрами низких и высоких частот в приемом устройстве. При передаче цифрового двоичного сигнала логическая единица кодируется синусоидальным сигналом с частотой 1200 Гц, ноль - 2200 Гц. При смене частоты фаза колебаний остается непрерывной. Такой способ формирования сигнала называется частотной манипуляцией с непрерывной фазой. Выбор частот соответствует американскому стандарту BELL 202 на телефонные каналы связи.

Принцип взаимодействия устройств на физическом уровне модели OSI показан на рис. 2.16. Сопротивление    выбирается так же, как и в токовой петле (стандартом предусмотрена величина 230...1100 Ом) и служит для преобразования тока 4...20 мА в напряжение. Акт взаимодействия устройств инициирует контроллер. Цифровой сигнал от источника напряжения   через конденсатор   подается в линию передачи и принимается на стороне датчика в форме напряжения в диапазоне от 400 до 800 мВ. Приемник датчика воспринимает HART-сигналы в диапазоне от 120 мВ до 2 В, сигналы от 0 до 80 мВ приемником игнорируются.  Получив запрос, датчик формирует ответ, который в общем случае может содержать как аналоговый сигнал  , так и цифровой ( ). Аналоговый сигнал обычно содержит информацию об измеренной величине, а цифровой - информацию о единицах и диапазоне измерения, о выходе величины за границы динамического диапазона, о типе датчика, имени изготовителя и т. п.). Аналоговый и цифровой сигнал суммируются и подаются в линию связи в форме тока (рис. 2.15, рис. 2.16). На стороне контроллера ток преобразуется в напряжение резистором  . Полученный сигнал подается на фильтр нижних частот с частотой среза 10 Гц и на фильтр верхних частот с частотой среза 400...800 Гц. На выходе фильтров выделяются цифровой сигнал   и аналоговый  . При использовании фильтров второго порядка погрешность, вносимая цифровым сигналом в аналоговый, составляет всего 0,01% от 20 мА.

Как и в обычной "токовой петле", источник тока в HART-устройстве может иметь внешний или встроенный источник питания.

Рис. 2.16. Принцип работы HART-протокола на физическом уровне

В частном случае HART-протокол может использовать только цифровой сигнал, без аналогового, или только аналоговый сигнал 4...20 мА, без цифрового.

В случае, когда ведомым устройством является не датчик, а исполнительное устройство (например электромагнитный клапан), аналоговый сигнал в форме тока должен передаваться от ведущего устройства к ведомому и источник тока должен находиться в ведущем устройстве (ситуация, обратная показанной на рис. 2.16). Поскольку HART устройства содержат микроконтроллер и МОП-ключи, необходимое для этого переконфигурирование передатчика и приемника выполняется путем подачи соответствующей команды.

HART-устройства всегда содержат микроконтроллер (рис. 2.17) с UART и ППЗУ (перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство). Цифровой сигнал, сформированный микроконтроллером, преобразуется в UART в непрерывную последовательность бит, состоящую из двоичных слов длиной 11 бит каждое (рис. 2.18-а). Каждое слово начинается со стартового бита (логический ноль), за которым следует байт передаваемых данных, затем бит паритета и стоповый бит. Сформированная таким образом последовательность нулей и единиц передается в модем, выполняющий частотную манипуляцию (ЧМ). Полученный частотно-манипулированный сигнал передается в интерфейсный блок для формирования напряжения, подаваемого в линию связи (напомним, что от контроллера к датчику передается сигнал в форме напряжения,  а обратно - в форме тока).

HART_формат_слова.tif а)

б)

Рис. 2.18. Структура слова (а) и сообщения (б) в HART-протоколе

На стороне датчика сигнал принимается из линии интерфейсным блоком, преобразуется ЧМ модемом в последовательность битов, из которой контроллер выделяет байты данных и биты паритета. Микроконтроллер проверяет соответствие бита паритета переданному байту для каждого переданного слова, пока не обнаружит признак конца сообщения.

Получив команду, контроллер приступает к ее выполнению. Если пришла команда запроса измеренных данных, контроллер датчика принимает через АЦП сигнал датчика, преобразует его в аналоговую форму с помощью ЦАП, суммирует со служебной информацией на выходе ЧМ модема и передает в линию связи в форме тока 4...20 мА (рис. 2.17).