摘要(yao):HART,即HighwayAddresableRemoteTransducer,是可尋址遠程(cheng)傳感器高速公路(lù)的簡稱，其❌特點是(shì)在不幹擾4~20mA模拟信(xin)号的同時允許雙(shuāng)向數字🏃‍♂️通訊。本文(wen)☎️從兩方面讨論基(ji)于HART協議智能電磁(ci)流量計具體實現(xiàn)的技術問題，一是(shi)要解決硬件電路(lu)的設計問題，二是(shi)要讨論實現HART協📐議(yì)命令集❓編程及上(shang)🐅位機軟件的實現(xian)。智能電💃磁流量計(ji)設計應用HART協議
一(yī)、前言
　　符合HART協議的(de)智能電磁流量計(jì) 不僅可以實現各(ge)種流量的檢測和(hé)就地顯示，還可以(yǐ)通過上位🏃‍♀️計進行(hang)遠程設定，改變流(liu)量計的零點、量程(cheng)，以及完成自診斷(duàn)等功能，因此在流(liú)量計的使用和維(wéi)護中更加方便⛹🏻‍♀️。
二(er)、HART協議簡介
　　HART協議遵(zun)循ISO制訂的OS1開放式(shì)系統互連參考模(mó)型，采用了OSI模型😄的(de)第--層、第二層和第(dì)七層，即物理層、數(shù)據鏈路層和應🌈用(yòng)層。
1.物理層規範
　　HART協(xie)議采用美國電話(hua)通訊系統Bel1202頻移鍵(jiàn)控(FSK)标準，在4~20mA的🏃‍♂️模拟(nǐ)♋士0.5mA的💛正弦波，波特(tè)率是1200bps.因爲所疊加(jiā)的正弦信号平均(jun1)值爲0,而且相位連(lián)續頻移鍵控技術(shu)要求在波特率爲(wèi)1200Hz的數據位1和0的邊(bian)界的相位角是連(lian)續的，所以數字通(tong)訊信号不會影響(xiǎng)4~20mA的模拟信号。
2.數據(ju)鏈路層規範
　　這一(yī)部分協議規定了(le)HART幀的格式，實現建(jiàn)立、維護、數據鏈♍路(lu)通訊功能，HART協議根(gēn)據冗餘檢錯碼信(xin)息，通過差錯檢測(ce)機制和采用自動(dong)重發請求協議(ARQ),實(shí)現通訊數據無差(chà)錯傳送。與協議相(xiang)關的數據傳輸是(shi)以幀的形式實現(xiàn)的。幀💃是用戶控制(zhi)和尋址信息對用(yòng)戶數據的封裝，隻(zhi)有幀中的字節記(ji)數☔結束且經過了(le)差錯檢驗接收正(zheng)确無誤或是物理(li)層通知信号傳輸(shū)終止✂️(如檢測不到(dao)載波)之後才可以(yi)進行幀的識别。
　　在(zài)數據鏈路層中的(de)HART協議是--種“主1從”協(xie)議。在從設備的應(ying)答消息🔞中除了已(yǐ)被接收的确認命(ming)令，許多消息中還(hái)包含了主設👌備詢(xún)問的數據。HART協議允(yǔn)許系統中同時有(yǒu)兩個主設備🏃🏻‍♂️運行(háng)，一🚶個基本主設備(bei)，一個🏒副主設備。從(cong)設備根據兩個主(zhu)💘設備不同的地址(zhi)來🏃‍♂️向它們分發各(gè)自的應答命令消(xiao)息。
3.應用層規範
　　規(guī)定了HART消息包中的(de)3類命令，第一類是(shi)通用命令,适用❤️于(yú)遵守💁HART協🏃‍♀️議的所有(yǒu)産品，爲符合HART協議(yi)的設備提供功能(neng)描述;第👄二類是普(pu)通操作命令,适用(yong)于遵守HART協議的大(dà)部分産品;第三類(lei)是設備特殊命令(lìng),适用于遵守HART協議(yì)的特殊🈲産品。
三、基(jī)于HART協議的智能電(dian)磁流量計的通訊(xùn)模塊設計♉
　　帶有HART通(tōng)訊協議的智能電(dian)磁流量計的硬件(jian)系統電路💞采用☀️模(mó)塊化設計，主要包(bao)括傳感器模塊，MCU模(mó)塊、HART通訊模塊和人(ren)機界面模塊四個(gè)部分。
　　由單片機控(kòng)制的低頻勵磁電(diàn)流輸出到傳感器(qi)的勵磁線圈中，同(tóng)時來自電磁流量(liang)傳感器的微小電(dian)勢信号經前置放(fang)大後通過AD模數轉(zhuan)換電路送入到🏃‍♀️單(dan)片機。單片機對這(zhe)些信号進行數據(jù)采集，分析處♊理送(song)至液晶顯示屏進(jin)行瞬時流量和累(lei)積流量的顯示。同(tóng)時單♻️片機通過計(jì)算公式對得到的(de)流量值進行補償(chang)，将補償後的流量(liàng)信号通過HART通訊模(mó)塊實現與上位機(ji)的遠程通訊🌈。本文(wén)隻介紹HART通訊模塊(kuai)設🤞計㊙️:
　　HT2012芯片用來實(shí)現HART協議中通訊信(xin)号的解調及調制(zhi)過程✨。HART信号的💰解調(diao)過程:由帶通濾波(bo)器輸出的脈沖信(xin)号進入HT2012後，調制解(jie)調器分别将脈沖(chòng)信号中的1200Hz和2200Hz解♋調(diao)爲數💛字1和0，再将數(shu)字信号由HT2012的ORXD端口(kǒu)輸出，微處理㊙️器(CPU)對(duì)接收到的數據進(jìn)行判斷并執行相(xiang)應的任務。
　　HART數字信(xìn)号規範是峰值爲(wei)1mA、平均值爲0mA正弦交(jiao)流電流信号，此🈲信(xìn)号經線路阻抗轉(zhuǎn)化爲正弦交流電(dian)壓信🆚号，而HT2012輸入和(hé)輸出信号是㊙️0~5V的方(fang)波信号，因此在HT2012和(he)外部的HART信号之間(jian)還需要有濾波🛀電(dian)路和整形電路。
　　由(you)TLC27組成的濾波器是(shì)帶通濾波器，用來(lai)減少接收信号的(de)噪📱聲幹擾。濾波器(qì)還用來消除波形(xíng)中的尖峰，從而使(shi)接收到的信号變(biàn)得平緩。TLC37組成的數(shu)字方波🆚産生回♍路(lu)把經🌏過TLC27濾波後的(de)正弦波轉變成相(xiang)應的方波，以便于(yu)HT2012接收。
　　緩沖器74HC126的作(zuo)用是使方波的上(shang)升沿和下降沿趨(qu)于平緩🏃🏻‍♂️,使信号滿(man)足HART物理層規範所(suǒ)要求的信号波形(xing)上升沿和下沿的(de)時💯要求🌈，因爲較平(ping)級的上升沿和🚶‍♀️下(xià)降沿時間可㊙️以降(jiang)低與其它☀️網絡間(jiān)🤟的串擾。HT2012需要🆚外部(bu)提供460.8kHz的時鍾信号(hào)，且要求時鍾頻率(lü)😍的誤差是土0.1%，若直(zhi)接輸入一個460.8kHz的晶(jing)🏃🏻‍♂️振不僅會引起系(xi)統功耗的增加，而(ér)且該🎯晶振屬于非(fei)标準晶振，需專門(men)定制。爲了解決這(zhè)一-問㊙️題，在系統中(zhong)采用一片1.8432MHz的晶振(zhèn)以産生時鍾信号(hao)，再經💁分頻器CD4013進行(háng)4分頗🌏，可輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分(fen)頻信号供HT2012使用。
　　AD421其(qi)内部的電壓調節(jiē)器與外部的場效(xiao)應管DN25D對輸入到AD421的(de)電壓進行調整，可(kě)提供+3.3V電壓作爲其(qi)他設備的電源。HART發(fa)出的FSK信号，經過-一(yi)個電容耦合送到(dao)AD421中，轉換成相應的(de)土0.5mA正弦電流信号(hào)，實🌈現電壓信号到(dao)電流信号的轉換(huàn)，同時，疊加在4~20mA的電(dian)流上送給接收設(shè)備✏️，實現了HART協議的(de)信息的交換。本電(dian)路耦合電容取爲(wèi)0.0033μF。
四、HART通訊協議的軟(ruǎn)件實現
1.智能電磁(ci)流量計串口中斷(duan)程序
　　在串行口中(zhōng)斷服務程序中，首(shǒu)先保護現場，然後(hou)判斷是接收中斷(duàn)還是發送中斷，若(ruò)爲接收中斷則執(zhí)行接收服務子程(cheng)序，否則執行發送(song)服務子程序。中斷(duan)處理結束後，恢複(fu)現場幷返回系統(tǒng)主程序。HART通信采用(yong)水平和垂直校驗(yan)的方法。當檢測到(dào)接收數據有差錯(cuò)時，則等到主設備(bèi)命令幀發完後，通(tong)知主設備數據接(jiē)收有誤。主設備則(ze)重新發命令幀，從(cóng)而保證通信可靠(kào)。
　　在對命令幀響應(ying)之前先要将該幀(zhēn)拆分，即首先判斷(duàn)該幀前導碼是否(fou)正确，每接收一個(ge)前導碼，計數器加(jiā)1,再接收定界符，若(ruò)爲有效的定界符(fú)且前導碼計數器(qì)大于1,則爲HART幀的起(qi)始位置，根據定界(jiè)符确定HART幀的類型(xing)，若爲應答幀或成(cheng)組模式幀則終止(zhi)接收服務，等待載(zai)波結束;若爲請求(qiú)幀，則确定幀格式(shì)，設置接收長幀格(gé)式或短幀格式地(di)址計數值，短幀格(gé)式地址接收1個字(zi)節,長幀格式地址(zhi)接收5個字節。再接(jiē)收命令号,數據字(zì)節長度字節，若數(shu)據字節長度字節(jiē)出現奇偶校驗錯(cuo)誤則終止接收服(fu)務，等待載波結束(shù);否則設置數據字(zi)節長度計數器，每(měi)接收-一個數據字(zì)節，長度計數器減(jian)1,最後接收水平校(xiao)驗和。若接收請求(qiu)地址匹配，對接收(shou)的HART幀異或求水平(píng)校驗和，并與接收(shou)水平校驗和進行(hang)比較，相同則表示(shi)無通訊錯誤，否則(ze)置水平校驗和錯(cuò)誤标志爲1,結束接(jie)收服務并轉入HART命(mìng)令執行子程序。
五(wu)、結論
　　對研制的智(zhi)能電磁流量計進(jìn)行試驗表明:該流(liu)量計集成化程🐉度(dù)高、功能強、操作方(fang)便、性能可靠;具有(yǒu)自診斷、自檢定功(gong)能和HART數⭕據通訊功(gōng)能;可測正反兩個(ge)方向🌈流量，也可測(cè)脈動流量;抗電磁(ci)🌏幹擾和溫度性能(neng)好，适合于現場測(ce)量和顯示;測量範(fàn)圍大,精度高。

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