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尹恩民，徐天芳，朱  強

1  引言
現場總線控制系統（FCS）適應了工業控制系統向分散化、網絡化、智能化發展的需要，給自動化系統的最終用戶帶來了更大的實惠和更多方便，因而促使目前生產的自動化儀表、集散控制系統（DCS）、可編程控制器（PLC）產品面臨體系結構、功能等方面的重大變革。
然而DCS已在過程控制領域成功應用了20多年，無論國內與國外，大多數的控制系統仍然采用的是DCS結構。考慮到開發商與用戶的投資利益，對于現有大量的DCS，完全由FCS取代也很不現實，因此應更多地考慮現場總線與DCS的集成，在繼承DCS豐富的監控、協調管理功能的同時又有所變革。
為此，基于HART協議的接口卡件和現場儀表的上位機管理軟件應運而生。它要求接口卡件能夠在嵌入原來的國產分散控制系統SUPMAX500而不影響其對遠程儀表的模擬量進行控制的基礎上，支持符合HART協議的智能儀表與DCS中的分散處理單元（DPU）和上位機進行通信。這既兼顧了智能化儀表進入DCS，又兼顧了智能化儀表優越功能與DCS連接后可得到部分應用與發揮，即實現參數調整、改變運行方式、故障診斷和信息反饋。
2  硬件設計
2.1  SUPMAX500的結構
SUPMAX500由工程師站、操作站、現場控制站及通信網絡等組成。系統從上到下可分為三層網絡結構：最上層管理網采用符合TCP/IP協議的以太網，波特率為100Mbps，連接了操作站、工程師站、管理計算機等，是實現全廠綜合管理的信息通道；中間層現場控制網采用10Mbps以太網冗余網絡，連接操作站與控制站，傳輸各種實時信息；底層網絡為控制站內部網，符合IEEE802.4協議。控制站內部以機籠為單位，I/O機籠通過雙重化高速串行通信總線SBUS與主控制機籠相連，SBUS通信總線指系統控制站的主控制卡、數據轉發卡、I/O卡之間信息交換的網絡。
2.2  在SUPMAX500中嵌入HART接口卡件
系統結構如圖1所示。
HART接口卡件通過SBUS總線與DPU相連，DPU起到上位機與HART接口卡件之間的橋梁作用，對兩者而言它是透明的。一塊DPU所帶數據轉發卡與HART接口卡的數量受SBUS總線協議的限制。HART接口卡件向下直接與現場的HART智能儀表相連，共有8個接線端子，可連接4塊儀表。
HART智能儀表采用總線供電，這個任務交給I/O卡來完成；HART物理層協議中要求的采樣電阻也位于I/O卡中。而HART接口卡件只是用變壓器獲取疊加在4～20mA模擬信號上的HART數字信號并加以處理。嵌入HART接口卡件之后，SUPMAX500原來的各種功能包括軟件組態、硬件組態、上位機監控和控制站對各個回路的控制等，沒有受到絲毫干擾，只是在原有的基礎上增添了DCS對現場儀表的遠程管理功能。

圖1  嵌入HART接口卡件的SUPMAX500系統結構圖

2.3  HART接口卡件
HART接口卡件及其與外部連接示意圖如圖2所示。

圖2  HART接口卡件及其與外部連接示意圖

設計采用主從通信、點對點網絡。HART接口卡件及上位機中的儀表管理軟件共同完成主設備的功能。上位機發送遠程管理命令和本地管理命令經DPU到HART接口卡件，CPU再根據相應的命令組裝HART數據幀從串口2發送給HART調制解調芯片，經過調制的HART信號經過驅動放大單元再由變壓器疊加到外部的4～20mA模擬信號上。從儀表傳回的響應經變壓器從HART通信線路中分離出來，經過解調后傳給CPU并由其完成后續處理，處理完畢后CPU把HART幀中的響應與數據再打包成符合SBUS總線協議的數據幀傳送至DPU。雖然本質上仍然是點對點通信，但從廣義上講實現了一個“主設備”掛接多個HART智能儀表，圖2中的多路開關用來選擇與HART接口卡件上的哪臺儀表通信。
除了承擔HART協議中數據鏈路層、物理層的任務以外，本HART接口卡件還必須負責與DPU之間的通信，這是和典型的HART主從通信最明顯的區別所在。為了更少地占用上位機和DPU的資源，在HART接口卡件能夠完成與DPU通信的基礎上，將HART協議中的數據有選擇的與上位機進行交換以節省資源，加快傳輸速度并保證通信的質量。
本HART接口卡件使用的微處理器是Philips公司的80c51 XAG49。它是真正的16位靜態CPU，采用寄存器-寄存器結構，寄存器組中的任一寄存器都可以象累加器那樣完成各種算術和邏輯運算并可以作為數據指針使用；地址線高達24位，程序和數據空間都可達16M且自帶64K Flash、2K RAM；具有硬件支持實時多任務的特點；具有豐富的中斷源和大大增強的中斷機制，包括事件中斷、例外中斷、軟件中斷和陷阱中斷四大類中斷源，總計38個中斷矢量；時鐘頻率可達40MHz；兩個串行口的基本原理和工作模式與80c51基本相同，但具有一套硬件支持的地址自動識別機制；I/O口都是可編程的；帶有看門狗功能等，XAG49完全滿足軟、硬件設計的需要。
本卡件使用的時鐘頻率是20MHz；串口1工作在模式2，波特率為625Kbps；串口2工作在模式3，用記時器T2做為它的波特率發生器，波特率為1200bps。
本卡件采用+5V電源單獨供電，而與現場儀表相連的地方還是用變壓器耦合獲取信號，符合HART協議中的物理層規范，因而保證了卡件與現場之間有良好的隔離，不會給對方造成任何不必要的干擾。
圖2中的在線編程單元與485收發器共用串口1，在2K的Boot ROM中有芯片廠家提供的長駐串口通信程序，可以重復往ROM中寫程序，極大地方便了軟件與硬件的調試。
3  軟件設計
3.1  與上位機和DPU的通信
HART接口卡件與DPU的通信主要通過串口1的接收中斷來完成。由于HART接口卡件與儀表通信的程序是從“監視”→“使能”→“應用”周而復始從不間斷地運行，所以串口1的中斷必須保證不影響卡件與儀表之間的通信。因而此中斷只在主設備狀態機處于監視和使能狀態并且是沒有檢測到載波輸入的情況下才打開。而一旦在運行本中斷程序時發現有載波輸入，由于HART接口卡件與上位機的通信在接收時只有5～6個字節，中斷內要向上發送的響應也只有5個字節，而波特率又是625Kbps,傳輸一個字節只需0.0176ms，所以執行此中斷服務程序所需的時間根本不會影響對HART鏈路上所到來的HART數據的響應。還有一種可能是在主設備狀態機記時RT1、RT2和HOLD的時候觸發本中斷，而對RT1、RT2和HOLD的記時也是通過中斷來完成的，每記時一個HART字符時間即9.167ms就觸發一次記時器中斷，同樣也不會造成干擾。
在前面曾提到為了簡化通信，節約資源而有選擇的把上位機關心的HART幀中的數據拿來放到與上位機通信的SBUS幀中來。

表1  HART接口卡件從DPU接收到的幀的格式

HART接口卡件從DPU接收到的幀的格式見表1。卡件收到地址字節觸發串口1的中斷，判斷是本卡件地址后，就繼續接收，否則就退出中斷繼續監視。命令類型0表示上位機要進行遠程管理，其他類型為本地管理，如設置重發限制、設置前導信號長度等。如果是遠程管理，那么數據1代表上位機發給儀表的HART命令，數據2代表HART接口卡件中所要打開的通道號。如果此時沒有等待處理的HART命令，就打開該通道，并把對應該命令所需的其他數據，如定界符、儀表地址、記數字節和數據等依次送給用來發送HART命令幀的變量，等到本卡件獲得HART鏈路的使用權后，交給發送函數發送給儀表。
如果在接收上位機命令的時候出現校驗出錯、字符間隔過長、對本地管理命令成功響應、當前有等待處理的HART遠程管理命令、上位機所要通信的儀表的地址還沒有準備好等情況時，就需要及時發送給上位機相應的響應。
HART卡回送給DPU的幀的格式與表1相同。如果HART接口卡件成功收到儀表的響應，那么HART卡回送給DPU的幀中的數據1代表相應的HART命令，數據2代表對應該儀表的的通道號，數據3、4就是從儀表接收到的HART幀中響應碼，其后是HART幀中的“數據”。據此，上位機就可以觀察HART儀表的過程變量，對量程、單位、阻尼時間、位號等參數進行組態，并實時監測HART儀表的在線狀態，從而實現對現場儀表的遠程管理。
3.2  與HART儀表的通信
上電后HART接口卡件并不自動檢測所接的4個通道上是否有HART儀表存在，而是等待上位機發送command #0，然后它才打開相應的通道，利用短幀格式和輪詢地址0打包后發送給儀表，在收到響應后，并且只有在收到命令0的響應后，會把該儀表的制造商ID、設備類型和設備ID保存在相應的變量里，等上位機再向該儀表發送其他命令時，再把這些內容組裝成該儀表的長地址用來通信。
如果原來通道上的儀表被換掉，那么最初不會收到來自這個儀表的響應，因為HART接口卡件中的地址與實際地址不符，只有等上位機認為該通道不存在儀表或出現故障時，再發送一次命令0才能把新的儀表地址保存起來。為了避免出現這種情況，上位機應定時用命令0查詢各個通道。
程序完全遵從HART數據鏈路層協議，如第一、第二主設備之間的鏈路仲裁，主設備狀態之間的轉換、發送和接收HART數據幀等。
4  結語
HART協議的特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中的過渡性產品。HART接口卡件及配套軟件已成功應用于上海自動化儀表股份有限公司的國產分散控制系統SUPMAX500中，在保留它原有的監測、控制功能的基礎上，還成功實現了對現場儀表的參數調整、故障診斷和信息反饋。它的應用對如何將DCS逐步轉化為FCS進行了有益的探索。