HARTLink便携式HART手操器

HARTLink M1｜便携式 HART 手操器与 USB 透传工具

HARTLink M1 便携式 HART 手操器封面

> 一台装进口袋的小型 HART 调试工具：本机负责安全读取，电脑负责复杂操作。 连接现场时，USB 仅为 HARTLink 本机供电，4–20 mA/HART 回路需要独立外部供电。

_{掌上尺寸，本机读取}	_{OLED 手操 + USB 透传}
_{原理图、固件与工程资料}	_{HART FSK 实测波形}
_{现场设备安全只读菜单}	_{USB HID IAP 在线升级}

项目简介

HARTLink M1 是一套面向学习、实验和现场调试的便携式 HART 工具。硬件以 CH32L103F8U6 为主控，集成 HART 调制解调、128×64 OLED、旋转编码器、蜂鸣器、USB Type-C 和回路接口；固件提供设备发现、基础变量读取、本地轮询、诊断状态查看、USB CDC 原始帧透传以及 USB HID IAP 升级。

项目的设计边界很明确：

不连接电脑时，通过屏幕和编码器完成扫描、身份识别、PV/SV/TV/QV、环路电流、量程与状态等基础读取。
连接电脑时，HARTLink 作为 USB 与 HART 物理层之间的原始数据通道，复杂命令由上位机组织。
本机对现场设备只读，不在掌上菜单中提供会修改仪表参数或状态的命令，降低误触风险。
USB 不给 4–20 mA 回路供电。HARTLink 本机由 USB 供电，现场仪表与回路必须由外部电源或 PLC/DCS 供电。

这是一套源码开放、面向非商业用途的工程项目，不是商业校验仪或安全认证设备。用于真实工业过程前，请先确认回路条件、作业权限和现场安全要求。

核心功能

功能	说明
便携本机操作	128×64 SSD1306 OLED、SIQ-02FVS3 旋转编码器、按键与蜂鸣器，中英文菜单
设备发现	扫描轮询地址 0–15，通过 Cmd0 缓存设备身份、HART 版本与长地址
安全只读命令	本机提供 Cmd0/1/2/3/7/9/12/13/14/15/20/48 等读取命令
数据显示	显示 PV/SV/TV/QV、环路电流、百分比、量程、状态及常用工程单位
自动轮询	可选择 Cmd1 或 Cmd3，并在本机调整轮询地址与周期
长文本适配	结果先停留 0.8 秒，再按 0.25 秒/字符循环滚动
USB 透传	USB CDC 虚拟串口双向转发原始 HART 字节流
总线仲裁	USB 主机活跃时本机显示 `HOST BUSY`，本地命令不会抢占 HART 总线
在线升级	常驻 Bootloader，支持 USB HID IAP；另保留 USART1 备用 IAP
设置保存	OLED 亮度、蜂鸣器音量和菜单语言保存到独立 Flash 设置区

> 这里的“只读”是指本机不会向现场 HART 设备发送写参数命令；亮度、音量、语言等 HARTLink 自身设置仍可在本机保存。

硬件组成

模块	主要器件 / 作用
主控	CH32L103F8U6，RISC-V MCU，系统时钟 48 MHz
USB 与电源	USB Type-C 接口、CC 下拉、电源与数据线 ESD 保护、3.3 V LDO
显示	1.3寸SSD1306 128×64 OLED，I²C 接口
人机交互	SIQ-02FVS3 A/B 相旋转编码器与按键、4 kHz 蜂鸣器驱动
HART 调制解调	DS8500 HART modem，连接 MCU 的 TX、RX、RTS 与载波检测信号
回路模拟前端	HR228434 变压器、RC 网络、TS5A3167 模拟开关、LMV321 运放
接口保护	回路侧串联阻抗与 SMBJ36CA 瞬态抑制器件

关键参数

项目	参数
产品型号	HARTLinkM1
当前固件	V1.0.1
MCU	CH32L103F8U6
系统时钟	48 MHz HSI，USBCLK Div1
HART 串口	USART2，1200 baud，8 数据位、奇校验、1 停止位（8O1）
本机扫描范围	轮询地址 0–15
HART 前导码	默认 5 字节，并根据设备响应自适应，最大 20 字节
显示器	1.3寸SSD1306，128×64，I²C
本机操作	旋转编码器旋转、短按、长按，长按阈值 800 ms
USB 运行接口	USB CDC，设备名 `HARTLink CDC`，VID:PID `1A86:FE0C`
USB 升级接口	USB HID，设备名 `CH32L103 IAP`，VID:PID `1A86:FE17`
备用升级接口	USART1，PA9/PA10，115200 8N1
供电方式	USB 5 V 为 HARTLink 本机供电，板上转换为 3.3 V
回路供电	不提供；4–20 mA/HART 回路必须外部供电

信号链与工作原理

HARTLink 的工作链路可以概括为：

OLED / 编码器
       │
       ▼
CH32L103F8U6 ── USART2，1200 baud 8O1 ── DS8500 HART modem
       ▲                                      │
       │                                      ▼
USB CDC 原始帧透传                    RC 网络 / 变压器 / 保护
       ▲                                      │
       │                                      ▼
  Chrome / Edge / 上位机                4–20 mA HART 回路

发送方向：MCU 生成 HART 帧，经 USART2 送入 DS8500；调制后的 FSK 信号再经过耦合、滤波和保护网络叠加到回路。
接收方向：回路中的 FSK 信号经模拟前端送入 DS8500 解调，MCU 接收字节并进行帧校验、命令解析和数据显示。
收发控制：MCU 使用 HART_RTS 控制收发状态，并读取载波检测信号，减少总线冲突。
主机桥接：USB CDC 收到的普通数据按原始字节送往 HART 物理层，HART 返回数据也原样上传；本机只额外识别精确匹配的版本查询字符串。

HART 使用 1200 Hz / 2200 Hz FSK 在 4–20 mA 模拟量上叠加数字通信。它不会替代回路电流与回路电源，因此正确的负载、电源和并联位置仍是能否通信的前提。

接线方法

HARTLink 独立 24 V 回路与 PLC/DCS 回路接线示意

方案 A：独立 24 V 实验回路

外部 24 V 电源、HART 仪表和约 250 Ω 负载电阻串联组成电流回路。
HARTLink 的两根测试线跨接在 250 Ω 电阻两端（无极性）。
使用 USB 线给 HARTLink 本机供电。
确认回路电流和接线无误后，再开始扫描设备。

方案 B：现有 PLC / DCS 回路

先确认现有回路已经由 PLC/DCS 或独立电源供电，并具备适合 HART 通信的负载条件。
将 HARTLink 并联到现场仪表端子或指定测试点（无极性）。
USB 仍只给 HARTLink 本机供电，不参与现场回路供电。
停止可能与手操器冲突的轮询或维护操作，再进行设备扫描。

> 重要：不要把 USB 5 V 当作仪表回路电源，也不要让 HARTLink 承担 4–20 mA 回路供电。 接入真实工艺设备前，应确认防爆分区、接地、隔离、回路负载和作业许可。

本机操作

快速开始

首次制作时，使用 WCH-Link 或兼容下载器烧录完整固件 HARTLink.hex。
用 USB 数据线给 HARTLink 供电，等待 OLED 显示 HARTLink V1.0.1。
按上一节完成外供电 HART 回路接线。
长按编码器进入主菜单，选择 Device → Scan 0-15。
扫描到设备后，进入 HART Cmds 查看身份、PV、动态变量、环路与量程等只读信息。
需要连续观察时，在 Polling 中选择 Cmd1 或 Cmd3，并设置轮询周期。
需要复杂解析、维护或写参数时，停止本机轮询，连接 USB 上位机。

编码器手势

场景	旋转	短按	长按
主页	切换“扫描 / PV / 轮询”快捷项	执行当前快捷项	进入主菜单
主菜单	移动选中项	进入或执行	返回主页
子页面	移动选中项或调整本机设置	确认或执行	返回 / 放弃修改

本机菜单边界

页面	可执行内容
HART Cmds	Cmd0/1/2/3/7/12/13/14/15/20 等安全读取
Device	扫描地址 0–15、刷新身份、改变本地轮询地址、清除缓存
Polling	开关本机轮询、选择 Cmd1/Cmd3、调整周期和地址
Diagnostics	Cmd48 附加状态、Cmd9 设备变量状态、清除缓存
System	亮度、蜂鸣器、语言、保存本机设置、版本、IAP 模式

Cmd11/21 需要 Tag 或 Long Tag 输入，Cmd6/17/18/19/22/38 等会改变设备状态，因此没有放进本机菜单。Cmd1/2/3/9/48 等长地址命令必须先通过 Cmd0 或扫描取得设备长地址；否则屏幕会提示 SCAN FIRST。

USB 上位机与原始帧透传

推荐配合 ModeSignal 网页上位机使用。Chrome 或 Edge 支持 Web Serial，可直接在 HTTPS 页面中选择 HARTLink CDC 对应的串口。

用支持数据传输的 USB 线连接电脑与 HARTLink。
打开 ModeSignal，点击串口连接，在浏览器授权窗口中选择 HARTLink CDC。
设置目标轮询地址，先执行扫描或 Cmd0，再读取变量或执行其他功能。
使用本机菜单前先停止上位机轮询；主机仍在通信时，OLED 会显示 HOST BUSY。

HARTLink 的 USB 功能是原始 HART 帧双向透传，并不在设备内部实现完整 DD 库、厂商私有命令或所有参数编辑界面。因此：

能识别哪些设备、解析哪些字段、是否支持写参数，取决于所用上位机的实现。
写操作还取决于现场设备是否支持、用户是否具备权限以及现场是否允许执行。
HARTLink 只负责传输，上位机支持某项功能不代表本机菜单也支持该功能。
执行任何写入、维护、回路测试或量程变更前，都应先评估工艺影响。

设备还支持一个不会转发到现场回路的型号/版本查询：

TX: HARTLINK:VERSION?\r\n
RX: HARTLINK:VERSION=V1.0.1;MODEL=HARTLinkM1\r\n

只有整段数据精确匹配查询命令时才由 HARTLink 响应，其余数据保持原始透传。

USB HID IAP 在线升级

首次烧录或完整恢复使用 HARTLink.hex；设备已经包含 Bootloader 后，日常升级使用 HARTLink_app.hex。

在本机选择 System → IAP Mode；也可以按住编码器再上电。
设备重新枚举为 CH32L103 IAP，VID:PID 为 1A86:FE17。
打开仓库内的 WCHMcuIAP_WinAPP.exe 或兼容的 WCH IAP 工具。
选择 USB HID，加载 HARTLink_app.hex 并开始下载。
下载完成后 Bootloader 自动启动应用，设备重新枚举为 HARTLink CDC。

> 不要用 WCHISPStudio 给项目 Bootloader 下载 HARTLink_app.hex。WCHISPStudio 面向芯片 BootROM ISP，本项目的在线升级使用自带 Bootloader 的 IAP 协议。

Bootloader 同时保留 USART1（PA9/PA10、115200 8N1）作为备用排查通道。Flash 分区如下：

区域	地址	用途
Bootloader	`0x0000–0x4FFF`	常驻启动与 IAP
应用程序	`0x5000–0xF7FF`	HARTLink 主固件
设置区	`0xF800–0xFFFF`	亮度、音量和语言
IAP 请求页	`0x08004F00`，256 B	Bootloader 分区内的升级请求标志

实物与实测

_{接入 HART 回路并读取过程变量}

_{掌上尺寸与中文 OLED 界面}

下图为 250 Ω 回路测试中的示例 FSK 波形。示波器光标读数约为 2.2 kHz、464.5 mVpp，可观察到 HART 高频音调分量。该幅值仅对应当次回路、探头和测点条件，不应当作所有设备的统一验收阈值。

250 欧姆回路上的 HART 2.2 kHz FSK 实测波形
_{250 Ω 测试回路中的 2.2 kHz FSK 波形示例}

目前项目实物已用于验证 USB 供电启动、OLED 与编码器交互、地址扫描、基础变量读取、本地轮询、USB CDC 枚举与透传、以及 USB HID IAP 流程。不同厂商仪表、线缆长度、回路负载和现场干扰条件不同，复刻后仍建议在自己的目标设备上完成兼容性测试。

软件结构

Bootloader/        常驻 Bootloader、USB HID 与 USART1 IAP
Core/              WCH RISC-V 核心支持代码
Debug/             调试支持
Ld/                应用与 Bootloader 链接脚本
Peripheral/        WCH CH32L103 外设库
Startup/           启动文件
User/App/          HART 帧、业务逻辑、菜单与 UI
User/Bsp/          OLED、编码器、蜂鸣器、USB、HART 物理层
User/Drv/          SSD1306 驱动与字体
User/Sys/          系统初始化、时钟与任务调度
tools/             固件合并与 IAP 诊断脚本

应用程序采用简单的轮询式任务调度：系统 Tick 驱动 UI、编码器、蜂鸣器、本地轮询、USB 桥接和 HART 接收组帧。上位机通信具有更高优先级；USB 最近有输入或仍有待转发数据时，本机不会抢占总线，也不会进行 Flash 擦写。

源码可在 Windows 10/11 下使用 MounRiver Studio 2 自带的 WCH RISC-V Embedded GCC 或兼容工具链构建：