摘要:現場(chang)總線控制系統代(dai)表了工業控制系(xì)統向分散化、網👉絡(luò)化、智能化發展的(de)方向.爲構建現場(chǎng)總線型工業測控(kòng)系統,要求系統中(zhong)所有儀表都應具(jù)🔴有現場總線功✂️能(néng).其中,HART總線技術在(zài)電磁流量儀表中(zhōng)應用最爲廣泛,本(ben)文在對HART協議進行(hang)詳細分析的基礎(chu)上,重點介紹了系(xì)統設計結構以🙇‍♀️及(ji)HART協議在智能電磁(ci)流量計 中的軟硬(yìng)件實.現方法.測試(shi)結果表明,該設計(jì)滿足現㊙️場🐇實際要(yào)求,達到了設計目(mù)的.
　　HART,即HighwayAddressableRemoteTransdueer是可尋址遠(yuan)程傳感器高速公(gong)路的簡稱,其特點(dian)是在不幹擾4~20mA模拟(nǐ)信号的同時允許(xǔ)雙向數:字通訊.符(fu)合HART協議的智能電(dian)😍磁流🐉量計不僅可(ke)以實現各種流量(liang)的檢測和就地顯(xian)示,還可以通過✔️上(shàng)位機進行遠程設(shè)定,改變流量計的(de)零點.量程,以及完(wan)成自診斷等功能(neng),在🔞很大程度上方(fang)便了流量計的使(shǐ)用和維護,因而具(jù)📐有較強的市場競(jìng)争力L-31.本文讨論基(jī)于✂️HART協議智能電磁(cí)流量計具體實現(xiàn)的技術問題,一.是(shì)要解決硬件電路(lù)的🔱設計問題,二是(shi)要讨論實現HART協議(yi)命令集編程及上(shàng)位🈲機軟件的實現(xian).
1HART協議簡介
　　HART協議遵(zun)循ISO制訂的OSI開放式(shì)系統互連參考模(mo)型,采用了OSI模型的(de)第一層、第二層和(he)第七層,即物理層(céng)、數據⛷️鏈路層和應(ying)用層.
1.1物理層規範(fan)
　　HART協議采用美國電(diàn)話通訊系統Bel202頻.移(yí)鍵控(FSK)标準,在4~20mA的模(mo)拟⭐Q5mA的正弦波,波特(te)率是1200bps因爲所疊加(jiā)的正弦信号平均(jun)值爲0而且相位連(lián)續頻移鍵控技術(shù)要求在波特率爲(wei)1200Hz的數據位1和0的邊(bian)界的相位角是連(lián)續的,所以數字通(tōng)訊信号不會影響(xiang)4~20mA的模拟信号.
1.2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(jian)立、維護、終結鏈路(lu)通訊💘功能,HART協議根(gen)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(cha)錯傳送.
　　與協議相(xiàng)關的實體間的數(shù)據傳輸是以幀的(de)形式實現的.幀🎯是(shì)🙇🏻用戶控制和尋址(zhi)信息對用戶數據(jù)的😄封裝,隻有幀中(zhong)的字節記數結束(shù)且經過了差錯檢(jian)驗接收☀️正确無誤(wu)或是物理層通知(zhi)信☔号傳輸終止(如(rú)檢測不🚶到載波)之(zhi)後才可以進行幀(zhen)的識别.HART幀的♻️格式(shì)如圖1所示.
 
●PREAMBLE前導信(xìn)号:實際上是同步(bù)信号,各通訊設備(bei)可以據⭕此略做🚶調(diào)整💛,保證信息的同(tong)步.
●DELM定界符:一個獨(dú)特的或是最容易(yi)識别的字符.最高(gāo)位規定幀🈚的🚩尋址(zhǐ)信息分爲長格式(shì)或短格式,低3位定(ding)義了幀🔅的類型.
●ADDR地(di)址字節:包含了源(yuán)地址和目的地址(zhi),最高位都用來表(biǎo)示與該幀相關的(de)主設備的地址.“1”表(biǎo)示基本主設備;“0”表(biao)示🆚副主設備.
●COM命令(ling)字節:表示現場儀(yi)表所要執行的功(gōng)能,範圍爲💛255個.
●BYTECORNT數據(jù)總長度:該值表示(shì)的是BYTECORNT下一個字節(jiē)到最後(不包括校(xiào)驗字節)的字節數(shù).
●DATA數據字節:傳送用(yong)戶數據和響應數(shu)據,但不是每個幀(zhēn)中都會包含數據(ju).
●CHK奇偶校驗:方式是(shì)縱向奇偶校驗.
　　在(zai)數據鏈路層中的(de)HART協議是一種“主從(cong)”協議,即由主設備(bei)産🔞生🔆消息,而從設(shè)備隻在接收到發(fa)送給它的消息後(hou)才做出應答.在從(cong)設備的應答消息(xi)中除了已被接收(shōu)的确認命令,許多(duo)消息中還包含了(le)主設備詢問的數(shu)據.HART協議允許系統(tǒng)中同時有兩個主(zhu)設備運行,一個基(jī)本主設備,一個副(fu)主設備.從設備根(gēn)據兩個主設備不(bu)同的地址來向它(ta)們分發各自的應(yīng)答命令消息.
　　實際(jì)上在智能現場設(she)備與中央控制或(huò)監測設備的信💁息(xi)往❗返通訊,根據傳(chuán)輸信号的不同,可(ke)以分爲以下3種通(tōng)訊模式:模拟模式(shì)、模拟+數字模式和(he)廣播(全數字)模式(shi).
1.3應用層規範
　　HART協議(yì)中包含三類命令(lìng):第一類爲通用命(ming)令印l,适用🌈于遵🌈守(shǒu)🔞HART協議的所有産品(pin),符合HART協議的設備(bei)提供功能描述;第(dì)二類爲普通操作(zuò)命令,适用于遵守(shǒu)HART協議的大部分産(chǎn)品,當設備具有某(mou)些功能🌈時,該命令(ling)用于對這些功能(neng)的描述;第三類爲(wei)設備特殊命令,适(shi)用于遵守HART協議的(de)特殊産品,提供一(yi)些特殊的功能🍉描(miáo)述命令.HART協㊙️.議對于(yú)廠家生産的具有(yǒu)特殊功㊙️能的産品(pǐn)還提供了設備描(miáo)述語言DDL以确保互(hu)操作性.
2基于HART協議(yì)的智能電磁流量(liàng)計的硬件設計
　　帶(dài)有HART通訊協議的智(zhi)能電磁流量計的(de)硬件系統電路🔞采(cai)用模塊化設計,主(zhu)要包括傳感器模(mo)塊、MCU模塊.HART通訊模塊(kuài)和人機🏃🏻界面模塊(kuài)㊙️4個部分.
　　由單片機(ji)控制的低頻勵磁(ci)電流輸出到傳感(gan)器的💘勵磁線圈中(zhong),同時來自電磁流(liú)量傳感器的微小(xiǎo)電🔞勢信号經前置(zhi)放大後通過AD模數(shu)轉換電路送入到(dào)單片機.單片機對(duì)這些信号進行數(shu)據💘采集,分析處理(li)送至液晶顯示屏(píng)進行瞬時流量和(hé)累😍積流量的顯示(shì).同時單片機通過(guò)計算公式對得到(dao)的流量值🏃🏻進行補(bǔ)償,将補償後的流(liu)量信号通過HART通訊(xùn)模塊實現與上位(wei)機的遠程通訊.
2.1HART通(tong)訊模塊設計
　　HT2012芯片(piàn)用來實現HART協議中(zhōng)通訊信号的解調(diao)及調制過程.圖2爲(wèi)調制🆚解調器與微(wēi)處理器的連接.
 
　　HART信(xìn)号的解調過程:由(yóu)帶通濾波器輸出(chu)的脈沖信号進入(rù)HT2012後,調制解調器分(fen)别将脈沖信号中(zhōng)的1200Hz和2200Hz解調🔞爲數字(zi)1和0再将數字🧑🏽‍🤝‍🧑🏻信号(hào)由HT2012的ORXD端口輸出,CPU對(duì)接收到🔞的數據進(jin)行判斷并執行相(xiàng)應的任務.
2.2HT2012與外部(bu)接口.
　　HART數字信号規(guī)範是峰值爲1mA、平均(jun)值爲0mA正弦交流電(dian)流信号,此信号經(jing)線路阻抗轉化爲(wèi)正弦交流電壓信(xìn)号,而HT2012輸入🐇和輸✌️出(chu)信号是0~5V的方波信(xin)号,因此在HT2012和外部(bù)的HART信号之間還需(xū)要有濾波🌈電路和(he)整形電路.
　　如圖3所(suo)示,由TLC27組成的濾波(bo)器是帶通濾.波器(qì),用來減🈚少接收信(xin)号的噪聲幹擾.濾(lǜ)波器還用來消除(chu)波形中的🛀尖峰,從(cong)而⭕使接收到的信(xìn)号變得平緩.TLC37組成(cheng)的㊙️數字方波産生(sheng)回路把經過TLC27濾波(bō)後的正弦波轉變(biàn)成相應的方波,以(yi)便于HT2012接收.
 
　　如圖4所(suo)示,緩沖器74HC126的作用(yòng)是使方波的.上升(shēng)沿和下降🌈沿趨于(yú)🐆平😄緩,使信号滿足(zú)HART物理層規範所要(yào)求的信号⛹🏻‍♀️波形上(shàng)升沿和下沿的時(shi)要求,因爲較平緩(huǎn)的上升沿和'下降(jiàng)沿時間可以降低(di)與其它網絡間的(de)串擾.
 
　　HT2012需要外部提(tí)供4608kHz的時鍾信号,且(qie)要求時鍾頻率的(de)誤差🥰是Q1%,若直接入(rù)一個4608kHz的晶振不僅(jǐn)會引起系統功耗(hào)的增加,而且該晶(jing)振屬于👌非标準晶(jīng)振,需專門定制.爲(wei)了解🈲決這一問題(ti),在系統中采用一(yi)片1.8432MHz的晶振以産生(shēng)時鍾🌐信号,再經分(fen)頻器CD4013進行4分頗,可(kě)輸出1.8432MHz4=4608kHz的分頻信号(hao)供HT2012使用.
　　AD421其内部的(de)電壓調節器與外(wài)部的場效應管DN25D對(duì)輸入到⭐AD421的電壓進(jìn)行調整,可提供十(shí)33V電壓作爲其他設(shè)備的電源.HART發出的(de)FSK信号,經過一個電(dian)容耦合送到AD421中,轉(zhuan)換成相應的0.5mA正❌弦(xián)電流信号,實現電(diàn)壓✊信号到電流信(xìn)号的轉換,同時,疊(dié)加在4~20mA的電流.上送(song)給接收設備,實現(xiàn)了HART協議💰的信息的(de)交換.本電路耦合(hé)電容取爲0.0033HE,如圖5所(suo)示.
 
3HART通訊協議的軟(ruan)件實現
3.1智能電磁(cí)流量計串口中斷(duan)程序
　　在HART通信中,智(zhi)能電磁流量計作(zuò)爲從設備.進行通(tōng)訊,所以這裏的軟(ruǎn)件設計隻是針對(dui)于從設備.HART通信采(cǎi)用水平和垂直校(xiào)驗的方法.當檢測(ce)到接收數據有差(cha)錯時,則等到主設(she)備命令幀發完後(hòu)⁉️,通知主設備數據(jù)接收有誤.主設♉備(bei)則重新發命令幀(zhen),從而保證通信的(de)正确✍️可靠.HART中斷子(zǐ)程序流程圖如圖(tu)6所示.
　　由于HART通信爲(wei)主從方式,HART幀中每(mei)個字節在物理層(ceng)傳輸需要9ms左右🌈,爲(wèi)了保證通訊的實(shi)時性,通訊程序采(cai)用串行口終端接(jie)收🛀發送.該中斷所(suǒ)要完成通信中的(de)主要任務,即接收(shou)和♉發送幀,幀的拆(chāi)🔴分和打包.
 
3.2上位機(ji)軟件數據采集程(cheng)序
1)形成讀流量計(ji)長幀地址命令字(zì):5個FF前導碼;起始字(zi)💛符爲02(采用短幀格(ge)式時,主設備向從(cong)設備發送);地址爲(wèi)00(輪循地🌐址);命令字(zi)是00(讀變送器标識(shí)命令字節數);無數(shù)據
2)追加校驗和:采(cai)用異或邏輯運算(suàn)求校驗和追加在(zài)字節數後,形成完(wán)整命令.
3)按異步串(chuan)行通信方式發送(song)命令并接收從設(she)備回答的信息.
4)從(cóng)回答的信息中提(ti)取流量計長幀地(di)址.
5)形成讀流量計(ji)其他數據命令:5個(ge)FF前導碼;起始字符(fú)爲82(采用長幀🔅格式(shì)時,主設備向從設(shè)備發送);地址爲流(liu)量計長幀地址;命(ming)令字、字節數和數(shu)據略;采用異或邏(luo)輯運算求🧡校驗和(he),追加在字節數後(hou),形成完整命令.
4結(jié)論
　　對研制的智能(neng)電磁流量計進行(háng)試驗表明:該流.量(liang)🏒計集成化㊙️程度高(gao)、功能強、操作方便(biàn)、性能可靠;具有自(zi)診斷、自檢定✔️功能(neng)和HART數據通訊功能(neng);可測正反兩個方(fang)向流量,也可測脈(mo)動流量;抗電磁幹(gan)擾和溫度🔞性能好(hao),适合于現場測量(liang)和顯示;測量範圍(wei)大,精度高.

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