尹恩民，徐天芳，朱  强

1  引言
现场总线控制系统（FCS）适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的需要，给自动化系统的最终用户带来了更大的实惠和更多方便，因而促使目前生产的自动化仪表、集散控制系统（DCS）、可编程控制器（PLC）产品面临体系结构、功能等方面的重大变革。
然而DCS已在过程控制领域成功应用了20多年，无论国内与国外，大多数的控制系统仍然采用的是DCS结构。考虑到开发商与用户的投资利益，对于现有大量的DCS，完全由FCS取代也很不现实，因此应更多地考虑现场总线与DCS的集成，在继承DCS丰富的监控、协调管理功能的同时又有所变革。
为此，基于HART协议的接口卡件和现场仪表的上位机管理软件应运而生。它要求接口卡件能够在嵌入原来的国产分散控制系统SUPMAX500而不影响其对远程仪表的模拟量进行控制的基础上，支持符合HART协议的智能仪表与DCS中的分散处理单元（DPU）和上位机进行通信。这既兼顾了智能化仪表进入DCS，又兼顾了智能化仪表优越功能与DCS连接后可得到部分应用与发挥，即实现参数调整、改变运行方式、故障诊断和信息反馈。
2  硬件设计
2.1  SUPMAX500的结构
SUPMAX500由工程师站、操作站、现场控制站及通信网络等组成。系统从上到下可分为三层网络结构：最上层管理网采用符合TCP/IP协议的以太网，波特率为100Mbps，连接了操作站、工程师站、管理计算机等，是实现全厂综合管理的信息通道；中间层现场控制网采用10Mbps以太网冗余网络，连接操作站与控制站，传输各种实时信息；底层网络为控制站内部网，符合IEEE802.4协议。控制站内部以机笼为单位，I/O机笼通过双重化高速串行通信总线SBUS与主控制机笼相连，SBUS通信总线指系统控制站的主控制卡、数据转发卡、I/O卡之间信息交换的网络。
2.2  在SUPMAX500中嵌入HART接口卡件
系统结构如图1所示。
HART接口卡件通过SBUS总线与DPU相连，DPU起到上位机与HART接口卡件之间的桥梁作用，对两者而言它是透明的。一块DPU所带数据转发卡与HART接口卡的数量受SBUS总线协议的限制。HART接口卡件向下直接与现场的HART智能仪表相连，共有8个接线端子，可连接4块仪表。
HART智能仪表采用总线供电，这个任务交给I/O卡来完成；HART物理层协议中要求的采样电阻也位于I/O卡中。而HART接口卡件只是用变压器获取叠加在4～20mA模拟信号上的HART数字信号并加以处理。嵌入HART接口卡件之后，SUPMAX500原来的各种功能包括软件组态、硬件组态、上位机监控和控制站对各个回路的控制等，没有受到丝毫干扰，只是在原有的基础上增添了DCS对现场仪表的远程管理功能。

图1  嵌入HART接口卡件的SUPMAX500系统结构图

2.3  HART接口卡件
HART接口卡件及其与外部连接示意图如图2所示。

图2  HART接口卡件及其与外部连接示意图

设计采用主从通信、点对点网络。HART接口卡件及上位机中的仪表管理软件共同完成主设备的功能。上位机发送远程管理命令和本地管理命令经DPU到HART接口卡件，CPU再根据相应的命令组装HART数据帧从串口2发送给HART调制解调芯片，经过调制的HART信号经过驱动放大单元再由变压器叠加到外部的4～20mA模拟信号上。从仪表传回的响应经变压器从HART通信线路中分离出来，经过解调后传给CPU并由其完成后续处理，处理完毕后CPU把HART帧中的响应与数据再打包成符合SBUS总线协议的数据帧传送至DPU。虽然本质上仍然是点对点通信，但从广义上讲实现了一个“主设备”挂接多个HART智能仪表，图2中的多路开关用来选择与HART接口卡件上的哪台仪表通信。
除了承担HART协议中数据链路层、物理层的任务以外，本HART接口卡件还必须负责与DPU之间的通信，这是和典型的HART主从通信最明显的区别所在。为了更少地占用上位机和DPU的资源，在HART接口卡件能够完成与DPU通信的基础上，将HART协议中的数据有选择的与上位机进行交换以节省资源，加快传输速度并保证通信的质量。
本HART接口卡件使用的微处理器是Philips公司的80c51 XAG49。它是真正的16位静态CPU，采用寄存器-寄存器结构，寄存器组中的任一寄存器都可以象累加器那样完成各种算术和逻辑运算并可以作为数据指针使用；地址线高达24位，程序和数据空间都可达16M且自带64K Flash、2K RAM；具有硬件支持实时多任务的特点；具有丰富的中断源和大大增强的中断机制，包括事件中断、例外中断、软件中断和陷阱中断四大类中断源，总计38个中断矢量；时钟频率可达40MHz；两个串行口的基本原理和工作模式与80c51基本相同，但具有一套硬件支持的地址自动识别机制；I/O口都是可编程的；带有看门狗功能等，XAG49完全满足软、硬件设计的需要。
本卡件使用的时钟频率是20MHz；串口1工作在模式2，波特率为625Kbps；串口2工作在模式3，用记时器T2做为它的波特率发生器，波特率为1200bps。
本卡件采用+5V电源单独供电，而与现场仪表相连的地方还是用变压器耦合获取信号，符合HART协议中的物理层规范，因而保证了卡件与现场之间有良好的隔离，不会给对方造成任何不必要的干扰。
图2中的在线编程单元与485收发器共用串口1，在2K的Boot ROM中有芯片厂家提供的长驻串口通信程序，可以重复往ROM中写程序，极大地方便了软件与硬件的调试。
3  软件设计
3.1  与上位机和DPU的通信
HART接口卡件与DPU的通信主要通过串口1的接收中断来完成。由于HART接口卡件与仪表通信的程序是从“监视”→“使能”→“应用”周而复始从不间断地运行，所以串口1的中断必须保证不影响卡件与仪表之间的通信。因而此中断只在主设备状态机处于监视和使能状态并且是没有检测到载波输入的情况下才打开。而一旦在运行本中断程序时发现有载波输入，由于HART接口卡件与上位机的通信在接收时只有5～6个字节，中断内要向上发送的响应也只有5个字节，而波特率又是625Kbps,传输一个字节只需0.0176ms，所以执行此中断服务程序所需的时间根本不会影响对HART链路上所到来的HART数据的响应。还有一种可能是在主设备状态机记时RT1、RT2和HOLD的时候触发本中断，而对RT1、RT2和HOLD的记时也是通过中断来完成的，每记时一个HART字符时间即9.167ms就触发一次记时器中断，同样也不会造成干扰。
在前面曾提到为了简化通信，节约资源而有选择的把上位机关心的HART帧中的数据拿来放到与上位机通信的SBUS帧中来。

表1  HART接口卡件从DPU接收到的帧的格式

HART接口卡件从DPU接收到的帧的格式见表1。卡件收到地址字节触发串口1的中断，判断是本卡件地址后，就继续接收，否则就退出中断继续监视。命令类型0表示上位机要进行远程管理，其他类型为本地管理，如设置重发限制、设置前导信号长度等。如果是远程管理，那么数据1代表上位机发给仪表的HART命令，数据2代表HART接口卡件中所要打开的通道号。如果此时没有等待处理的HART命令，就打开该通道，并把对应该命令所需的其他数据，如定界符、仪表地址、记数字节和数据等依次送给用来发送HART命令帧的变量，等到本卡件获得HART链路的使用权后，交给发送函数发送给仪表。
如果在接收上位机命令的时候出现校验出错、字符间隔过长、对本地管理命令成功响应、当前有等待处理的HART远程管理命令、上位机所要通信的仪表的地址还没有准备好等情况时，就需要及时发送给上位机相应的响应。
HART卡回送给DPU的帧的格式与表1相同。如果HART接口卡件成功收到仪表的响应，那么HART卡回送给DPU的帧中的数据1代表相应的HART命令，数据2代表对应该仪表的的通道号，数据3、4就是从仪表接收到的HART帧中响应码，其后是HART帧中的“数据”。据此，上位机就可以观察HART仪表的过程变量，对量程、单位、阻尼时间、位号等参数进行组态，并实时监测HART仪表的在线状态，从而实现对现场仪表的远程管理。
3.2  与HART仪表的通信
上电后HART接口卡件并不自动检测所接的4个通道上是否有HART仪表存在，而是等待上位机发送command #0，然后它才打开相应的通道，利用短帧格式和轮询地址0打包后发送给仪表，在收到响应后，并且只有在收到命令0的响应后，会把该仪表的制造商ID、设备类型和设备ID保存在相应的变量里，等上位机再向该仪表发送其他命令时，再把这些内容组装成该仪表的长地址用来通信。
如果原来通道上的仪表被换掉，那么最初不会收到来自这个仪表的响应，因为HART接口卡件中的地址与实际地址不符，只有等上位机认为该通道不存在仪表或出现故障时，再发送一次命令0才能把新的仪表地址保存起来。为了避免出现这种情况，上位机应定时用命令0查询各个通道。
程序完全遵从HART数据链路层协议，如第一、第二主设备之间的链路仲裁，主设备状态之间的转换、发送和接收HART数据帧等。
4  结语
HART协议的特点是在现有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性产品。HART接口卡件及配套软件已成功应用于上海自动化仪表股份有限公司的国产分散控制系统SUPMAX500中，在保留它原有的监测、控制功能的基础上，还成功实现了对现场仪表的参数调整、故障诊断和信息反馈。它的应用对如何将DCS逐步转化为FCS进行了有益的探索。