基于HART协议的智能仪表通信系统设计

论文摘要

目前,现场总线已经成为过程控制领域的热点,代表着智能仪表发展的方向。随着现场总线国际标准的完成,现场总线产品以其完善的功能和突出的特点必将为市场所接受。HART协议作为一个开放性的协议,现已成为智能仪表的“事实上”的标准。其特点是在现有的模拟信号传输线上实现数字信号通信,属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品,因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力,得到了较快的发展。在此背景下,本论文所研究的基于HART协议的智能仪表通信系统的设计为HART协议在智能仪表领域的应用做了一些有益尝试。HART协议规范是本课题设计和研究的基础,同时也是设备兼容性和功能实现的保证。本文首先对HART协议作了一个较为全面的分析,介绍了HART协议与OSI/ISO七层协议的对应关系,并分别介绍了HART协议三个层次(物理层、数据链路层和应用层)的定义和功能。在此基础上,本文根据对HART协议的理解以及自己在实践过程中的总结,在论文中对HART协议实现过程中的一些问题做了更进一步的说明和讨论。在设计方案上,基于对实际需求和应用环境的深入分析,本人提出了“模块化”和“标准接口”的设计思路,使本HART协议通信系统可以广泛的与各种现场仪表搭配,并可以在对原有设备和线路改动很小的情况下用于对传统模拟仪表进行升级。在论文中,着重对HART协议通信系统的软件和硬件设计进行了分析和介绍。在硬件上较为详细的介绍了系统的芯片选取以及各个组成模块——微处理器模块、电流环模块、调制解调器模块的功能和实现方法;在软件上对系统的软件结构进行了分析和描述,重点介绍了HART协议通信系统与智能仪表之间的标准接口设计以及HART协议通信系统的数据链路层和应用层软件设计。此外,在论文的最后对设备的调试和功能的测试做了介绍。本HART协议通信系统经过测试基本满足协议规范对设备功能性和兼容性的要求。本文介绍的内容很多都是在系统的实际研发过程中总结获得的,具有较强的针对性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 现场总线简介
• 1.2 现场总线的发展及特点
• 1.3 HART 协议的技术背景
• 1.4 本论文主要内容及章节安排
• 1.5 本章小节
• 第二章 HART 协议及实现分析
• 2.1 HART 协议规范
• 2.1.1 HART 协议模型
• 2.1.2 物理层规范
• 2.1.3 数据链路层规范
• 2.1.3.1 设备类型
• 2.1.3.2 通讯方式
• 2.1.3.3 字符编码
• 2.1.3.4 帧格式
• 2.1.4 应用层规范
• 2.2 HART 协议的实现分析
• 2.2.1 HART 协议网络模式
• 2.2.1.1 单点模式
• 2.2.1.2 多点模式
• 2.2.2 HART 协议定时及总线仲裁分析
• 2.2.2.1 定时分析
• 2.2.2.2 设备同步操作分析
• 2.2.2.3 总线操作及仲裁分析
• 2.2.3 HART 协议命令分析
• 2.2.3.1 设备识别命令
• 2.2.3.2 测量值操作命令
• 2.2.3.3 突发模式配置命令
• 2.3 本章小节
• 第三章 HART 协议通信系统的硬件实现
• 3.1 硬件总体设计
• 3.1.1 系统设计方案
• 3.1.2 硬件总体方案
• 3.1.3 硬件工作原理
• 3.2 硬件各模块设计
• 3.2.1 微控制器（MCU）模块
• 3.2.1.1 模块功能分析
• 3.2.1.2 P89LPC936 型号的选择
• 3.2.2 4-20mA 电流环模块
• 3.2.2.1 AD421 芯片介绍及功能分析
• 3.2.2.2 AD421 实现模拟输出
• 3.2.2.3 AD421 实现数字输出
• 3.2.2.4 AD421 供电及提供参考电压
• 3.2.3 HART 协议调制解调模块
• 3.2.3.1 HT2015 芯片介绍及功能分析
• 3.2.3.2 HT2015 与其它器件的接口
• 3.3 功耗分析及硬件低功耗设计
• 3.4 本章小节
• 第四章 HART 协议通信系统的软件设计
• 4.1 软件设计总体结构
• 4.2 底层程序设计
• 4.2.1 定时程序
• 4.2.2 串口收发及校验程序
• 4.2.3 FLASH 程序
• 4.3 主板通讯程序
• 2C 接口的配置'>4.3.1 I²C 接口的配置
• 4.3.2 自定义帧格式
• 4.3.3 标准接口
• 4.3.4 通讯过程
• 4.3.4.1 请求帧发送过程
• 4.3.4.2 响应帧发送过程
• 4.3.5 通讯程序
• 4.4 数据链路层程序
• 4.4.1 帧接收解析程序
• 4.4.2 帧封装发送程序
• 4.5 主状态机程序
• 4.5.1 初始化状态
• 4.5.2 接收状态
• 4.5.3 突发状态
• 4.5.4 应答状态
• 4.6 应用层程序
• 4.6.1 命令处理程序
• 4.6.2 状态程序
• 4.7 软件抗干扰及低功耗设计
• 4.7.1 软件抗干扰设计
• 4.7.2 软件低功耗设计
• 4.8 本章小节
• 第五章 系统调试和功能测试
• 5.1 PC 机调试系统
• 5.2 调试环境
• 5.3 功能测试
• 5.4 本章小节
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果
• 附录1 通信板电路原理图
• 附录2 通信板电路PCB 图
• 附录3 BELL202 调制解调器电路原理图
• 附录4 BELL202 调制解调器PCB 图