摘要(yào):HART,即HighwayAddresableRemoteTransducer,是可尋址遠程(chéng)傳感器高速公路(lu)的簡稱，其特點是(shi)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(cí)流量計具體實現(xian)的技術問題，一是(shì)要解決硬件電路(lu)的設計問題㊙️，二是(shì)要讨論實現HART協🈚議(yi)命令集編程及上(shang)位機軟件的實現(xian)。智能電磁流量計(jì)設計應用HART協議👨‍❤️‍👨
一(yi)、前言
　　符合HART協議的(de)智能電磁流量計(ji) 不僅可以實現各(gè)種流量的檢測和(he)就地顯示，還可♌以(yǐ)通過上位計進行(háng)遠程設定，改變流(liu)量計的零點、量程(cheng)，以及完成自診斷(duan)等功能，因此在流(liu)量計的使用和維(wei)護中更加方便㊙️。
二(èr)、HART協議簡介
　　HART協議遵(zun)循ISO制訂的OS1開放式(shi)系統互連參考模(mo)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(yong)層。
1.物理層規範
　　HART協(xié)議采用美國電話(huà)通訊系統Bel1202頻移鍵(jiàn)控(FSK)标準，在4~20mA的♉模拟(ni)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(jun)值爲0,而🥵且相位連(lian)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。
2.數據(jù)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(xìn)息，通過💃🏻差錯檢測(ce)機制和采用自動(dòng)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)關的數據傳輸是(shì)以幀的形式實現(xiàn)的。幀⭐是用戶控制(zhì)和尋址信息對用(yòng)戶數據的封裝，隻(zhī)有幀中的字節記(jì)數🍉結束且經過了(le)差錯檢驗接收正(zheng)确無誤或是物理(lǐ)層通知信号傳輸(shu)終止(如檢測不到(dào)載波)之後才可以(yi)進行幀的🔞識别。
　　在(zai)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(yīng)答消息✌️中除了已(yǐ)被接收的确認命(mìng)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(you)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(zhǐ)來向它們分發各(ge)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(yu)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(pǔ)通操作命令,适用(yòng)于遵守HART協議的大(da)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(ji)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(diàn)磁流量計的硬件(jiàn)系統電路采用模(mó)塊化設計，主要包(bao)括傳感器模塊，MCU模(mo)塊、HART通訊模塊和人(rén)機界面模塊四個(ge)部分。
　　由單片機控(kong)制的低頻勵磁電(dian)流輸出到傳感器(qi)的勵🔞磁線圈中，同(tong)時來自電磁流量(liàng)傳感器的微小電(diàn)勢信号經前置放(fang)大後通過AD模數轉(zhuǎn)換電路送入到單(dān)片機。單片機❗對這(zhè)些信号進行數據(ju)🚶采集，分析處理送(sòng)至液晶顯示屏進(jìn)行瞬時流量和累(lèi)積流量的顯示。同(tong)時單片機通過計(ji)😍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(mo)塊實🤩現與上位機(jī)的遠☂️程通訊。本文(wen)隻介紹HART通訊模塊(kuài)設㊙️計:
　　HT2012芯片用來實(shi)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(xìn)号進入HT2012後，調制解(jie)調器分🌂别将脈沖(chong)信号中的1200Hz和2200Hz解調(diào)爲數字1和0，再将數(shù)字信号由HT2012的ORXD端口(kou)輸出，微處理器(CPU)對(duì)接收☂️到的數據進(jin)行判斷并執行相(xiàng)應的任務。
　　HART數字信(xin)号規範是峰值爲(wèi)1mA、平均值爲0mA正弦交(jiāo)流電流信号，此信(xìn)♉号經線路阻抗轉(zhuan)化爲正弦交流電(diàn)壓信号，而👅HT2012輸入和(he)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(shi)帶通濾波器，用來(lai)減少接收信✊号的(de)噪聲幹擾。濾波器(qi)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(xiàng)應的方波，以便于(yu)HT2012接收。
　　緩沖器74HC126的作(zuò)用是使方波的上(shàng)升沿和下降沿趨(qū)于平緩,使🌈信号🌈滿(mǎn)足HART物理層規範所(suǒ)要求的信号波形(xíng)上升🍓沿和下沿🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的(de)時要求，因爲較平(píng)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(bù)提供460.8kHz的時鍾信🧑🏾‍🤝‍🧑🏼号(hao)，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(xì)統功耗的增加，而(ér)且✌️該晶振屬于非(fēi)标🧑🏾‍🤝‍🧑🏼準晶振，需專門(men)定制。爲了解決🥰這(zhe)一-問題，在系👈統中(zhong)采用一片1.8432MHz的晶振(zhen)以産生時鍾信号(hao)，再經分頻器CD4013進行(hang)4分頗，可輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分(fèn)❤️頻信号供HT2012使用。
　　AD421其(qí)内部的電壓調節(jie)器與外部的場效(xiào)應管DN25D對輸入到AD421的(de)電壓進行調整，可(ke)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(yī)🌈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(hao)，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(wei)0.0033μF。
四、HART通訊協議的軟(ruan)件實現
1.智能電磁(cí)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(duan)還是發送中斷，若(ruo)爲接收中斷則執(zhi)行接收服務子程(chéng)序，否則執行發送(sòng)服務子程序。中斷(duàn)處理結束後，恢複(fú)現場幷返回系統(tong)主程序。HART通信采用(yòng)水平和垂直校驗(yan)的方法。當檢測到(dao)接收數據有差錯(cuo)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(kao)。
　　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(ruo)爲有效的定界符(fu)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(ge)式或短幀格式地(dì)址計數值，短幀格(gé)式地址接收1個字(zì)節,長幀格式地址(zhǐ)接收5個字節。再接(jie)收命令号,數據字(zi)節長度字節，若數(shù)據字節長度字節(jie)出現奇偶校驗錯(cuò)誤則終止接收服(fú)務，等待載波結束(shu);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(shōu)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(shì)無通訊錯誤，否則(ze)置水平校驗和錯(cuò)誤标志爲1,結束接(jiē)收服務并轉入HART命(ming)令執行子程序。
五(wǔ)、結論
　　對研制的智(zhì)能電磁流量計進(jin)行試驗表明:該流(liú)量計🐪集成🔴化程度(du)高、功能強、操作方(fāng)便、性能可靠;具有(yǒu)自診斷、自❓檢定功(gōng)能和HART數據通訊功(gong)能;可測正反兩個(ge)方向🛀流量，也🥵可測(ce)脈動流量;抗電磁(cí)幹擾和溫度性能(neng)好，适合于現場測(ce)量和顯示;測量範(fan)圍大,精度👉高。

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