摘 要 PC机与HART仪表间的通讯需要专用接口，原有的RS232-HART接口遇到计算机串口逐渐减少的问题。通过虚拟串口技术，采用CH340开发的隔离型USB-HART模块能直接取代RS232-HART接口，无需对原PC软件进行任何修改，还能有效抑制PC和智能仪表之间的电气干扰，即插即用。
【关键词】USB HART 虚拟串口 隔离
HART协议由Rousemount公司提出，它的物理层采用了符合Bell202标准的FSK频移键控信号，即在4～20mA模拟量信号的基础上叠加了0.5mA的数字信号，数字信号用两个不同频率的正弦波——1200Hz和2200Hz分别表示二进制数0和1，传送速率为1200bps，由于载波的数字信号的相位连续，平均值为0，所以不会干扰模拟量信号的传输。因此HART协议可同时传送互不影响的模拟信号和数字信号。这样在不影响模拟信号传输的前提下，用户通过PC或手操器在现场或中控室可以很便捷的完成对带HART协议智能仪表的调校和量程迁移等操作。
与串并口设备相比，USB设备支持热插拔，携带方便，接口标准统一，通过USB HUB， PC可以连接多达127个USB设备，因此USB设备得到迅猛发展并逐步取代串并口设备，带串并口的PC和笔记本电脑日益减少。本文提出一种通过虚拟串口技术，采用CH340开发的隔离型USB-HART模块，它能直接取代RS232-HART接口，不需要对PC软件进行任何修改，又能有效抑制PC和智能仪表之间的电气干扰，即插即用，满足了没有串口的PC和笔记本电脑的应用需求。
1 设计方案
系统框图如图1所示。
本设计方案提供了从USB到HART FSK信号的物理层连接，配合计算机软件可以实现HART主设备的所有功能。
模块内部通过数字信号间的电气隔离能有效降低PC机和HART智能仪表供电电源之间的干扰，又能避免采用变压器耦合HART信号导致波形失真的弊端。
2 HT20C15实现HART-TTL转换
HART Modem可实现模拟信号和数字信号的分离，对HART信号解调后输出TTL信号；同时又可实现TTL到HART信号的调制，向HART网络加载符合HART协议的载波，工作处于半双工状态。
目前常用的HART Modem有PLCC-32封装的AMI公司A5191和SMAR公司HT20C15，这两种芯片引脚定义相同，可完全互换，但HT20C15的功耗更低。HT20C15的HART信号解调电路如图2所示。
IAREF脚是HT20C15内部运放和比较器直流工作点的设定端，需要根据VDD电压的不同而而选择合适的电压基准。
3 CH340实现USB-TTL转换
CH340 是南京沁恒生产的USB 总线转接芯片，实现USB 转串口、USB 转IrDA 红外或者USB 转打印口。在串口方式下，CH340 提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB 总线，具有以下特点：
● 全速USB设备接口，兼容USB V2.0，外围元器件只需要电容。
● 仿真标准串口，用于升级原串口外围设备，或者通过USB增加额外串口，实现应用层兼容。
● 计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，无需修改。
● 硬件全双工串口，内置收发缓冲区，支持通讯波特率50bps～2Mbps。
● 支持常用的MODEM 联络信号RTS、DTR、DCD、RI、DSR、CTS。
● 通过外加电平转换器件，提供RS232、RS485、RS422等接口。
● 支持IrDA规范SIR红外线通讯，支持波特率2400bps 到115200bps。
4 驱动程序的安装
当采用CH340的USB-HART模块连接到PC，根据系统的提示安装厂家免费提供的虚拟串口驱动程序后，该USB接口就虚拟成一个串口。如果需要为USB设备置入厂商ID、产品ID、产品序列号等，可以选用CH341，该芯片支持通过外置的EEPROM定义厂商ID、产品ID等。
在首次安装模块串口驱动时，模块串口号由WINDOWS自动分配，安装完成后可以在设备管理中点其属性修改串口号。在WINDOWS 98/ME 系统下，模块串口号与当前硬件资源配置有关，默认为自动分配资源，从而排在当前实际串口号之后，可以在串口属性中选择模块资源配置来指定串口号。在WINDOWS 2000/XP系统下，模块串口号与当前所在USB端口有关，在首次安装时分配，WINDOWS自动记忆各USB 端口模块的串口号，也可在串口属性中通过高级选项指定串口号。
5 结束语
USB-HART模块是即插即用的USB 设备，正在使用模块进行数据传输的过程中，不可以将其断开（断开是指从USB插座中取出模块），必须在应用程序关闭该串口后，模块才可以从USB插座中拔出。如果在应用程序使用模块的过程中，模块从USB插座中拔出，那么应用程序应该尽快关闭串口并退出。
通过应用发现，采用CH340和HT20C15实现的USB-HART通信模块开发周期短，工作稳定，使用方便；通过虚拟串口技术和原来直接读取串口的PC软件实现了应用层的兼容，无需进行任何修改，能有效减少软件的开发投入，是一种有效的串口向USB接口转换途径。
作者单位
浙江浙大中控信息技术有限公司 浙江省杭州市 310053
