隔離型USB—HART模塊設計

王自北

摘 要 PC機與HART儀表間的通訊需要專用接口，原有的RS232-HART接口遇到計算機串口逐漸減少的問題。通過虛擬串口技術，采用CH340開發的隔離型USB-HART模塊能直接取代RS232-HART接口，無需對原PC軟件進行任何修改，還能有效抑制PC和智能儀表之間的電氣干擾，即插即用。

【關鍵詞】USB HART 虛擬串口 隔離

HART協議由Rousemount公司提出，它的物理層采用了符合Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，即在4～20mA模擬量信號的基礎上疊加了0.5mA的數字信號，數字信號用兩個不同頻率的正弦波——1200Hz和2200Hz分別表示二進制數0和1，傳送速率為1200bps，由于載波的數字信號的相位連續，平均值為0，所以不會干擾模擬量信號的傳輸。因此HART協議可同時傳送互不影響的模擬信號和數字信號。這樣在不影響模擬信號傳輸的前提下，用戶通過PC或手操器在現場或中控室可以很便捷的完成對帶HART協議智能儀表的調校和量程遷移等操作。

與串并口設備相比，USB設備支持熱插拔，攜帶方便，接口標準統一，通過USB HUB， PC可以連接多達127個USB設備，因此USB設備得到迅猛發展并逐步取代串并口設備，帶串并口的PC和筆記本電腦日益減少。本文提出一種通過虛擬串口技術，采用CH340開發的隔離型USB-HART模塊，它能直接取代RS232-HART接口，不需要對PC軟件進行任何修改，又能有效抑制PC和智能儀表之間的電氣干擾，即插即用，滿足了沒有串口的PC和筆記本電腦的應用需求。

1 設計方案

系統框圖如圖1所示。

本設計方案提供了從USB到HART FSK信號的物理層連接，配合計算機軟件可以實現HART主設備的所有功能。

模塊內部通過數字信號間的電氣隔離能有效降低PC機和HART智能儀表供電電源之間的干擾，又能避免采用變壓器耦合HART信號導致波形失真的弊端。

2 HT20C15實現HART-TTL轉換

HART Modem可實現模擬信號和數字信號的分離，對HART信號解調后輸出TTL信號；同時又可實現TTL到HART信號的調制，向HART網絡加載符合HART協議的載波，工作處于半雙工狀態。

目前常用的HART Modem有PLCC-32封裝的AMI公司A5191和SMAR公司HT20C15，這兩種芯片引腳定義相同，可完全互換，但HT20C15的功耗更低。HT20C15的HART信號解調電路如圖2所示。

IAREF腳是HT20C15內部運放和比較器直流工作點的設定端，需要根據VDD電壓的不同而而選擇合適的電壓基準。

3 CH340實現USB-TTL轉換

CH340 是南京沁恒生產的USB 總線轉接芯片，實現USB 轉串口、USB 轉IrDA 紅外或者USB 轉打印口。在串口方式下，CH340 提供常用的MODEM聯絡信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設備直接升級到USB 總線，具有以下特點：

● 全速USB設備接口，兼容USB V2.0，外圍元器件只需要電容。

● 仿真標準串口，用于升級原串口外圍設備，或者通過USB增加額外串口，實現應用層兼容。

● 計算機端Windows操作系統下的串口應用程序完全兼容，無需修改。

● 硬件全雙工串口，內置收發緩沖區，支持通訊波特率50bps～2Mbps。

● 支持常用的MODEM 聯絡信號RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。

● 通過外加電平轉換器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。

● 支持IrDA規范SIR紅外線通訊，支持波特率2400bps 到115200bps。

4 驅動程序的安裝

當采用CH340的USB-HART模塊連接到PC，根據系統的提示安裝廠家免費提供的虛擬串口驅動程序后，該USB接口就虛擬成一個串口。如果需要為USB設備置入廠商ID、產品ID、產品序列號等，可以選用CH341，該芯片支持通過外置的EEPROM定義廠商ID、產品ID等。

在首次安裝模塊串口驅動時，模塊串口號由WINDOWS自動分配，安裝完成后可以在設備管理中點其屬性修改串口號。在WINDOWS 98/ME 系統下，模塊串口號與當前硬件資源配置有關，默認為自動分配資源，從而排在當前實際串口號之后，可以在串口屬性中選擇模塊資源配置來指定串口號。在WINDOWS 2000/XP系統下，模塊串口號與當前所在USB端口有關，在首次安裝時分配，WINDOWS自動記憶各USB 端口模塊的串口號，也可在串口屬性中通過高級選項指定串口號。

5 結束語

USB-HART模塊是即插即用的USB 設備，正在使用模塊進行數據傳輸的過程中，不可以將其斷開（斷開是指從USB插座中取出模塊），必須在應用程序關閉該串口后，模塊才可以從USB插座中拔出。如果在應用程序使用模塊的過程中，模塊從USB插座中拔出，那么應用程序應該盡快關閉串口并退出。

通過應用發現，采用CH340和HT20C15實現的USB-HART通信模塊開發周期短，工作穩定，使用方便；通過虛擬串口技術和原來直接讀取串口的PC軟件實現了應用層的兼容，無需進行任何修改，能有效減少軟件的開發投入，是一種有效的串口向USB接口轉換途徑。

作者單位

浙江浙大中控信息技術有限公司 浙江省杭州市 310053endprint

摘 要 PC機與HART儀表間的通訊需要專用接口，原有的RS232-HART接口遇到計算機串口逐漸減少的問題。通過虛擬串口技術，采用CH340開發的隔離型USB-HART模塊能直接取代RS232-HART接口，無需對原PC軟件進行任何修改，還能有效抑制PC和智能儀表之間的電氣干擾，即插即用。

【關鍵詞】USB HART 虛擬串口 隔離

HART協議由Rousemount公司提出，它的物理層采用了符合Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，即在4～20mA模擬量信號的基礎上疊加了0.5mA的數字信號，數字信號用兩個不同頻率的正弦波——1200Hz和2200Hz分別表示二進制數0和1，傳送速率為1200bps，由于載波的數字信號的相位連續，平均值為0，所以不會干擾模擬量信號的傳輸。因此HART協議可同時傳送互不影響的模擬信號和數字信號。這樣在不影響模擬信號傳輸的前提下，用戶通過PC或手操器在現場或中控室可以很便捷的完成對帶HART協議智能儀表的調校和量程遷移等操作。

與串并口設備相比，USB設備支持熱插拔，攜帶方便，接口標準統一，通過USB HUB， PC可以連接多達127個USB設備，因此USB設備得到迅猛發展并逐步取代串并口設備，帶串并口的PC和筆記本電腦日益減少。本文提出一種通過虛擬串口技術，采用CH340開發的隔離型USB-HART模塊，它能直接取代RS232-HART接口，不需要對PC軟件進行任何修改，又能有效抑制PC和智能儀表之間的電氣干擾，即插即用，滿足了沒有串口的PC和筆記本電腦的應用需求。

1 設計方案

系統框圖如圖1所示。

本設計方案提供了從USB到HART FSK信號的物理層連接，配合計算機軟件可以實現HART主設備的所有功能。

模塊內部通過數字信號間的電氣隔離能有效降低PC機和HART智能儀表供電電源之間的干擾，又能避免采用變壓器耦合HART信號導致波形失真的弊端。

2 HT20C15實現HART-TTL轉換

HART Modem可實現模擬信號和數字信號的分離，對HART信號解調后輸出TTL信號；同時又可實現TTL到HART信號的調制，向HART網絡加載符合HART協議的載波，工作處于半雙工狀態。

目前常用的HART Modem有PLCC-32封裝的AMI公司A5191和SMAR公司HT20C15，這兩種芯片引腳定義相同，可完全互換，但HT20C15的功耗更低。HT20C15的HART信號解調電路如圖2所示。

IAREF腳是HT20C15內部運放和比較器直流工作點的設定端，需要根據VDD電壓的不同而而選擇合適的電壓基準。

3 CH340實現USB-TTL轉換

CH340 是南京沁恒生產的USB 總線轉接芯片，實現USB 轉串口、USB 轉IrDA 紅外或者USB 轉打印口。在串口方式下，CH340 提供常用的MODEM聯絡信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設備直接升級到USB 總線，具有以下特點：

● 全速USB設備接口，兼容USB V2.0，外圍元器件只需要電容。

● 仿真標準串口，用于升級原串口外圍設備，或者通過USB增加額外串口，實現應用層兼容。

● 計算機端Windows操作系統下的串口應用程序完全兼容，無需修改。

● 硬件全雙工串口，內置收發緩沖區，支持通訊波特率50bps～2Mbps。

● 支持常用的MODEM 聯絡信號RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。

● 通過外加電平轉換器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。

● 支持IrDA規范SIR紅外線通訊，支持波特率2400bps 到115200bps。

4 驅動程序的安裝

當采用CH340的USB-HART模塊連接到PC，根據系統的提示安裝廠家免費提供的虛擬串口驅動程序后，該USB接口就虛擬成一個串口。如果需要為USB設備置入廠商ID、產品ID、產品序列號等，可以選用CH341，該芯片支持通過外置的EEPROM定義廠商ID、產品ID等。

在首次安裝模塊串口驅動時，模塊串口號由WINDOWS自動分配，安裝完成后可以在設備管理中點其屬性修改串口號。在WINDOWS 98/ME 系統下，模塊串口號與當前硬件資源配置有關，默認為自動分配資源，從而排在當前實際串口號之后，可以在串口屬性中選擇模塊資源配置來指定串口號。在WINDOWS 2000/XP系統下，模塊串口號與當前所在USB端口有關，在首次安裝時分配，WINDOWS自動記憶各USB 端口模塊的串口號，也可在串口屬性中通過高級選項指定串口號。

5 結束語

USB-HART模塊是即插即用的USB 設備，正在使用模塊進行數據傳輸的過程中，不可以將其斷開（斷開是指從USB插座中取出模塊），必須在應用程序關閉該串口后，模塊才可以從USB插座中拔出。如果在應用程序使用模塊的過程中，模塊從USB插座中拔出，那么應用程序應該盡快關閉串口并退出。

通過應用發現，采用CH340和HT20C15實現的USB-HART通信模塊開發周期短，工作穩定，使用方便；通過虛擬串口技術和原來直接讀取串口的PC軟件實現了應用層的兼容，無需進行任何修改，能有效減少軟件的開發投入，是一種有效的串口向USB接口轉換途徑。

作者單位

浙江浙大中控信息技術有限公司 浙江省杭州市 310053endprint

摘 要 PC機與HART儀表間的通訊需要專用接口，原有的RS232-HART接口遇到計算機串口逐漸減少的問題。通過虛擬串口技術，采用CH340開發的隔離型USB-HART模塊能直接取代RS232-HART接口，無需對原PC軟件進行任何修改，還能有效抑制PC和智能儀表之間的電氣干擾，即插即用。

【關鍵詞】USB HART 虛擬串口 隔離

HART協議由Rousemount公司提出，它的物理層采用了符合Bell202標準的FSK頻移鍵控信號，即在4～20mA模擬量信號的基礎上疊加了0.5mA的數字信號，數字信號用兩個不同頻率的正弦波——1200Hz和2200Hz分別表示二進制數0和1，傳送速率為1200bps，由于載波的數字信號的相位連續，平均值為0，所以不會干擾模擬量信號的傳輸。因此HART協議可同時傳送互不影響的模擬信號和數字信號。這樣在不影響模擬信號傳輸的前提下，用戶通過PC或手操器在現場或中控室可以很便捷的完成對帶HART協議智能儀表的調校和量程遷移等操作。

與串并口設備相比，USB設備支持熱插拔，攜帶方便，接口標準統一，通過USB HUB， PC可以連接多達127個USB設備，因此USB設備得到迅猛發展并逐步取代串并口設備，帶串并口的PC和筆記本電腦日益減少。本文提出一種通過虛擬串口技術，采用CH340開發的隔離型USB-HART模塊，它能直接取代RS232-HART接口，不需要對PC軟件進行任何修改，又能有效抑制PC和智能儀表之間的電氣干擾，即插即用，滿足了沒有串口的PC和筆記本電腦的應用需求。

1 設計方案

系統框圖如圖1所示。

本設計方案提供了從USB到HART FSK信號的物理層連接，配合計算機軟件可以實現HART主設備的所有功能。

模塊內部通過數字信號間的電氣隔離能有效降低PC機和HART智能儀表供電電源之間的干擾，又能避免采用變壓器耦合HART信號導致波形失真的弊端。

2 HT20C15實現HART-TTL轉換

HART Modem可實現模擬信號和數字信號的分離，對HART信號解調后輸出TTL信號；同時又可實現TTL到HART信號的調制，向HART網絡加載符合HART協議的載波，工作處于半雙工狀態。

目前常用的HART Modem有PLCC-32封裝的AMI公司A5191和SMAR公司HT20C15，這兩種芯片引腳定義相同，可完全互換，但HT20C15的功耗更低。HT20C15的HART信號解調電路如圖2所示。

IAREF腳是HT20C15內部運放和比較器直流工作點的設定端，需要根據VDD電壓的不同而而選擇合適的電壓基準。

3 CH340實現USB-TTL轉換

CH340 是南京沁恒生產的USB 總線轉接芯片，實現USB 轉串口、USB 轉IrDA 紅外或者USB 轉打印口。在串口方式下，CH340 提供常用的MODEM聯絡信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設備直接升級到USB 總線，具有以下特點：

● 全速USB設備接口，兼容USB V2.0，外圍元器件只需要電容。

● 仿真標準串口，用于升級原串口外圍設備，或者通過USB增加額外串口，實現應用層兼容。

● 計算機端Windows操作系統下的串口應用程序完全兼容，無需修改。

● 硬件全雙工串口，內置收發緩沖區，支持通訊波特率50bps～2Mbps。

● 支持常用的MODEM 聯絡信號RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。

● 通過外加電平轉換器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。

● 支持IrDA規范SIR紅外線通訊，支持波特率2400bps 到115200bps。

4 驅動程序的安裝

當采用CH340的USB-HART模塊連接到PC，根據系統的提示安裝廠家免費提供的虛擬串口驅動程序后，該USB接口就虛擬成一個串口。如果需要為USB設備置入廠商ID、產品ID、產品序列號等，可以選用CH341，該芯片支持通過外置的EEPROM定義廠商ID、產品ID等。

在首次安裝模塊串口驅動時，模塊串口號由WINDOWS自動分配，安裝完成后可以在設備管理中點其屬性修改串口號。在WINDOWS 98/ME 系統下，模塊串口號與當前硬件資源配置有關，默認為自動分配資源，從而排在當前實際串口號之后，可以在串口屬性中選擇模塊資源配置來指定串口號。在WINDOWS 2000/XP系統下，模塊串口號與當前所在USB端口有關，在首次安裝時分配，WINDOWS自動記憶各USB 端口模塊的串口號，也可在串口屬性中通過高級選項指定串口號。

5 結束語

USB-HART模塊是即插即用的USB 設備，正在使用模塊進行數據傳輸的過程中，不可以將其斷開（斷開是指從USB插座中取出模塊），必須在應用程序關閉該串口后，模塊才可以從USB插座中拔出。如果在應用程序使用模塊的過程中，模塊從USB插座中拔出，那么應用程序應該盡快關閉串口并退出。

通過應用發現，采用CH340和HT20C15實現的USB-HART通信模塊開發周期短，工作穩定，使用方便；通過虛擬串口技術和原來直接讀取串口的PC軟件實現了應用層的兼容，無需進行任何修改，能有效減少軟件的開發投入，是一種有效的串口向USB接口轉換途徑。

作者單位

浙江浙大中控信息技術有限公司 浙江省杭州市 310053endprint