国产HART芯片的架构和实现

在现代化工厂中，hart(highway addressable remote transducer，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议)装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，hart技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。但在工业以太网与工业物联网的大背景下，传统的hart仪器仪表与hart传统芯片面临着变革与挑战，目前hart协议芯片设计种类单一，结构简单，所支持的设备和cpu控制设备类型有所局限，传输速率低下等情况面临着以下挑战：第一，传统hart芯片单一对应hart仪器仪表与单一的cpu控制端，在大型厂间内布线密度低，布线数量大，成本高；第二，传统的hart芯片无时间同步机制，数据延迟不可控；第三，传统hart芯片一个cpu对应一个hart芯片，只对所控制的设备进行数据读写单一过程，智能仪表运行时与控制系统的互动有待提高，智能仪表间缺乏互操作。

HART调制解调器芯片使用FSK技术，在4~20mA信号过程量上叠加一个频率信号，成功地把模拟信号和数字信号双向同时通讯，而不互相干扰。采用Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4～20mA模拟信号上叠加一个频率数字信号进行双向数字通信。数字信号的幅度为0.5mA ，数据传输率为1200bps，1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”。

HART调制解调器芯片可以将设备和系统集成起来，以检测先前检测不到的问题，实时检测设备或过程的连接问题。通过获取新的早期预警，以减少偏差造成的影响，避免非计划停机或过程中断所引起的高成本。快速确定和验证控制回路和设备配置，使用远程诊断，以减少不必要的现场检查。杭州晶华微电子有限公司自主研发的HART调制解调器芯片专为实现HART协议而设计，型号包括HT1200M。

HT1200M的一种典型应用是使用在HART智能现场设备中以支持HART通信。HT1200M是一款专为实现 HART 协议而设计的 CMOS 单片调制解调器芯片，其主要的功能特点为：

• 符合 HART 通信协议物理层要求
• 单芯片半双工 1200b/s 的 FSK调制解调器
• 符合 Bell202 标准载波 1200Hz 和 2200Hz
• HART波形整形输出具有额外驱动能力
• 可接 3.6864MHz 晶振或使用外部时钟源
• 工作电压 2.7V~5.5V
• 低功耗，调制模式下最大功耗为 90μA
• -55℃至+125℃工作温度范围
• 32脚 LQFP 封装，如图2所示
• 满足 RoHS 环保要求

HT1200M本身集成满足 HART 物理层规范功能要求的大部分功能，包括调制与解调，输入信号滤波，载波检测和发送信号波形整形等，因此只需再外加少量无源元件，即可实现支持带HART功能产品设计。

因此，目前需要对hart协议芯片进行改进，以适应工业以太网与工业物联网对hart协议芯片新的需求。

针对传统的hart芯片局限于固定厂商设备使用灵活性差，设备接口落后，数据传输量低，布线密度低，布线数量大，智能仪表间缺少互操作等问题，本发明提供一种可互联hart通信协议芯片的架构及其使用方法。

针对传统hart芯片一个cpu对应一个hart芯片，只对所控制的设备进行数据读写单一过程，智能仪表运行时与控制系统的互动有待提高，智能仪表间缺乏互操作，以及传输效率低等问题，本发明改进的hart通信协议架构选取axi4总线协议代替传统的uart传输接口与cpu微控制器进行数据交互，利用axi4五个互不影响独立的通道，提高数据传输的效率以及稳定性。axi4总线与传统的uart单一传输通道不同，axi4总线有五个独立通道，分别为读地址通道readaddress、读数据通道readdata、写地址通道writeaddrress、写数据通道writedata和写回复通道writeresponse。由于axi4总线个通道都是独立并行的，所以可对hart芯片同时进行读写操作，提高读写效率，又由于每条通道都使用valid/ready握手机制，每条通道的数据流也是单方向流动，相比于传统urat传输方式大大提高了传输数据的准确程度与稳定性，降低传输过程中的数据错误概率。除此之外，axi4总线在互联之后给自身分配不同的id，可以实现一个cpu挂多个hart芯片，并对不同hart芯片所连接的设备节点进行独立的数据交互或者设备命令控制，通过一个cpu微控制器，可采集多个hart芯片数据，在数据通信的同时，可以通过cpu间接实现智能仪表间的互操作，通过axi4总线，将串行数据转换成并行数据的操作方式，也将提高数据读取效率与速度，解决传统hart芯片传输速率低的问题。