CN102523310A - 多功能hart通信接口 - Google Patents

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陈俊杰
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Abstract

本发明涉及一种多功能HART通信接口，包括通信接口底板和数字板卡，通信接口底板包括通信接口模块、电源模块和HART通信通道，数字板卡为逻辑芯片电路板卡或者带有MCU微处理器的数字板卡，HART现场设备通过HART通信通道将数据送入数字板卡进行数据处理和协议转换后通过通信接口模块与主站连接，电源模块为通信接口底板上模块提供所需电源。具有不同的主站通信物理接口，可以方便地更换为RS232、RS485、USB、蓝牙中的任一种，具有很大的物理接口选择灵活性；实现多种主站协议和HART现场总线的无缝连接，使HART设备能够更加方便的接入现有主站系统；内建完整的HART主站数据链路层，能兼容于所有HART现场设备。

Description

多功能HART通信接口
技术领域
本发明涉及一种工业自动化过程控制领域，特别涉及一种多功能HART通信接口。
背景技术
HART协议作为一个开放性的协议，现已成为智能仪表“事实上”的标准。从美国权威的自动化市场分析报告来看，目前全球智能化仪表、特别是符合HART协议智能仪表的需求量仍在逐年增加。虽然HART仪表得到了广泛的应用，但其数字通信能力没有得到充分发挥，主要缺少相关的数字信号传输通道和应用方案。随着HART的不断发展， HART通信接口成为了一种简单的解决方案。但目前市面上已有的HART通信接口只能配合特定的HART主站，难以适应目前多种通信协议主站并存的局面。
发明内容
本发明是针对目前HART通信接口只能适应特定的HART主站的问题，提出了一种多功能HART通信接口，可将HART现场设备连接到多种特定的通信主站，增加HART现场设备的应用范围，提高灵活性。
本发明的技术方案为：一种多功能HART通信接口，包括通信接口底板和数字板卡，通信接口底板包括通信接口模块、电源模块和HART通信通道，所述多功能HART通信接口中的数字板卡为逻辑芯片电路板卡或者带有MCU微处理器的数字板卡，HART现场设备通过HART通信通道将数据送入数字板卡进行数据处理和协议转换后通过位于底板的通信接口模块与主站连接，电源模块为通信接口底板上模块提供所需电源。
所述数字板卡输出数据通过通信接口模块的USB芯片模块传递给USB物理层接口，最后通过USB物理层接口发送出去。
所述数字板卡接收HART通信通道来的标准HART数据帧按上层通信协议格式要求进行打包或拆包处理后进行转发；所述数字板卡接收HART通信通道来的HART命令及包含的数据映射为上层通信协议的数据或协议格式进行转发。
本发明的有益效果在于：本发明多功能HART通信接口，具有不同的主站通信物理接口，可以方便地更换为RS232、RS485、USB、蓝牙中的任一种，具有很大的物理接口选择灵活性；实现多种主站协议和HART现场总线的无缝连接，使HART设备能够更加方便的接入现有主站系统；内建完整的HART主站数据链路层，能兼容于所有HART现场设备。
附图说明
图1是本发明多功能HART通信接口在系统中的位置示意图；
图2是本发明多功能HART通信接口系统结构框图；
图3是本发明多功能HART通信接口系统底板的模块图；
图4是本发明多功能HART通信接口协议转换过程示意图；
图5是本发明多功能HART通信接口实施例示意图。
具体实施方式
如图1所示多功能HART通信接口在系统中的位置示意图，多功能HART通信接口103能够建立起HART现场设备105和主站101之间的通信。HART现场设备和多功能HART通信接口之间是标准的HART通信协议104。多功能HART通信接口103内置了标准的HART主站数据链路层和其他标准的主站协议栈，能够把HART协议转成各种类型的主站所能识别的标准的通信协议102，如MODBUS、HART、TCP/IP等，而物理接口也可以选择不同的类型如RS232、RS485、USB、蓝牙等。
如图2所示多功能HART通信接口系统结构框图，整个多功能HART通信接口103由通信接口底板201和数字板卡202组成的。通信接口底板201主要包括通信接口模块和调制/解调模块，负责信号的物理连接和HART信号的调制解调；数字板卡202可以根据实际需要配置为纯逻辑芯片电路板卡或者带有MCU微处理器的数字板卡。其主要功能就是负责数据处理、协议转换等功能，实现不同的主站协议，通信接口模块、送数字板卡202、调制/解调模块顺序连接。
如图3所示，整个通信接口底板201是由三大部分组成：第一部分是HART通信通道，主要用来传输HART数字信号，由直流隔离模块303、信号调理模块304、HART调制解调模块305组成，确保发送和接收的HART信号都是标准的信号，同时HART信号在发送和接收时都可以通过LED模块302来指示；第二部分是电源模块301，从通信接口模块306中取电源，转换后提供其他各个模块所需的电压；第三部分是通信接口模块306，建立起和主站的通信通道。
图4是本发明多功能HART通信接口协议转换过程示意图，实现HART现场总线和主站协议转换。HART现场设备105过来的标准HART数据帧经过HART主站数据链路层404和HART应用层407的命令解析后，有两条路径可以选择，一个是透传模块403，能将完整的现场HART通信报文作为上层通信协议的一个数据包进行转发；另一条是协议转换模块406，此时将HART命令及包含的数据映射为上层通信协议的特定数据或协议格式进行转发。经过处理后的数据最后通过通信接口模块306传给主站101。
图5是本发明专利的一个具体实施例的示意图。其中HART调制解调器305选用的是A5191，通信接口模块306选用的是USB芯片FT232BM，数字板卡内的MCU选用LPC1224FBD。
主站接收现场HART设备数据的过程是：从HART现场设备过来的HART信号在信号接口底板中通过直流隔离模块303，去掉4-20mA直流成分，再经过信号调理模块304到达HART调制解调模块305，HART调制解调模块305内部有整形和滤波模块，经解调后输出数字信号，最后以UART接口方式送到ARM微处理器503。ARM微处理器503对数据进行处理后，再进行相应的协议转换。打包封装后的数据再通过信号接口底板的USB芯片模块502传递给USB物理层接口501，最后通过USB物理层接口501发送出去。
现场HART设备接收主站数据的过程是：从主站过来的数据先通过信号接口底板201上的USB物理层接口501进入USB芯片502，USB芯片502通过UART形式传给数字板卡202上的ARM处理器503。ARM处理器503解析接收到的数据送入处理器的HART主站协议栈。HART主站协议栈进行HART协议封装并进行时序控制后把数据送给HART调制解调器305进行信号调制，然后经过信号调理模块304、和直流隔离模块303后发送给现场HART设备。
本实施例实现HART到MODBUS RTU的协议转换。具体的实现方法是：把HART仪表中的各种变量对应到MODBUS的寄存器。当MODBUS主站向特定寄存器发送读写操作指令时，由数字板202内的ARM微处理器503实现协议转换，并与现场设备进行HART通信。通信结果再转换为MODBUS的对应寄存器值并返回。
当选用带有MCU微处理器的数字板卡202时，MCU微处理器中内置了不同的通信协议栈以及标准的HART主站数据链路层，HART主站数据链路层能够接收来自HART现场设备的标准HART数据帧，并经过通信协议栈处理后转换成不同的通信协议再通过通信接口底板传递给主站应用程序，反之亦然。
常用的通信协议可以是标准HART、MODBUS、TCP/IP、FF、Profibus等。协议的转换方法可以是：
1）将完整的现场HART通信报文作为上层通信协议的一个数据包进行转发。此时数字板卡中的MCU程序不需要进行HART应用层命令的解析，将完整的HART帧按上层通信协议格式要求进行打包或拆包处理后进行转发；
2）将HART命令及包含的数据映射为上层通信协议的特定数据或协议格式进行转发。此时数字板卡中的MCU程序需要进行HART应用层命令的解析，根据解析结果将命令或数据对应到上层协议的特定数据或格式，再进行转发。

Claims (3)

1.一种多功能HART通信接口，包括通信接口底板和数字板卡，通信接口底板包括通信接口模块、电源模块和HART通信通道，其特征在于，所述多功能HART通信接口中的数字板卡为逻辑芯片电路板卡或者带有MCU微处理器的数字板卡，HART现场设备通过HART通信通道将数据送入数字板卡进行数据处理和协议转换后通过位于底板的通信接口模块与主站连接，电源模块为通信接口底板上模块提供所需电源。
2.根据权利要求1所述多功能HART通信接口，其特征在于，所述数字板卡输出数据通过通信接口模块的USB芯片模块传递给USB物理层接口，最后通过USB物理层接口发送出去。
3.根据权利要求1所述多功能HART通信接口，其特征在于，所述数字板卡接收HART通信通道来的标准HART数据帧按上层通信协议格式要求进行打包或拆包处理后进行转发；所述数字板卡接收HART通信通道来的HART命令及包含的数据映射为上层通信协议的数据或协议格式进行转发。
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