摘要:現場總(zǒng)線控制系統(tǒng)代表了工業(yè)控制系統向(xiang)分☀️散化、網絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向.爲(wèi)構建現場總(zong)線型工業測(ce)控系統,要求(qiu)😘系統中所有(you)儀表都應具(jù)有現場總線(xian)功🏃能.其中♍,HART總(zǒng)線技術在電(dian)磁流量儀表(biao)中應用最🈚爲(wei)廣泛,本🍉文在(zai)對HART協議進行(hang)詳細分析的(de)基礎上,重點(dian)介紹了系統(tǒng)設計結構以(yǐ)及HART協議在智(zhi)能電磁流量(liàng)計 中的軟硬(yìng)件實.現方法(fǎ).測試結果表(biǎo)明,該設計滿(man)足現場實🏃🏻‍♂️際(jì)🏃要求,達到了(le)設計目的.
　　HART,即(jí)HighwayAddressableRemoteTransdueer是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高(gao)速公路的簡(jian)稱,其特點是(shi)☎️在不幹擾4~20mA模(mo)拟信号的同(tong)時允許雙向(xiàng)數:字通訊.符(fu)合HART協議的智(zhi)能電磁流量(liang)計不僅可以(yi)實現各種⭕流(liu)量的檢測和(he)就地顯示,還(hai)可以通過🤞上(shàng)位機進行遠(yuan)程設定,改變(biàn)流量⭐計的零(ling)點.量程,以及(jí)完成自診斷(duàn)等功能,在很(hěn)大程度上方(fāng)便了流量計(ji)的使用和維(wéi)護,因而具有(you)較強的市場(chang)競争力L-31.本文(wén)讨論基于HART協(xié)議智能電磁(cí)流量計具體(tǐ)實現的技術(shu)問題,一.是要(yao)解決硬件電(dian)路的💋設計問(wèn)題,二是要讨(tao)論實現HART協議(yi)命令集✏️編程(chéng)及上位✉️機軟(ruǎn)件的實現.
1HART協(xie)議簡介
　　HART協議(yi)遵循ISO制訂的(de)OSI開放式系統(tǒng)互連參考模(mo)型,采用了OSI模(mo)型的第一層(céng)、第二層和第(di)七層,即物理(li)層、數據鏈路(lu)層和應用層(ceng).
1.1物理層規範(fàn)
　　HART協議采用美(mei)國電話通訊(xùn)系統Bel202頻.移鍵(jiàn)控(FSK)标準,在4~20mA的(de)👄模拟Q5mA的正弦(xian)波,波特率是(shi)1200bps因爲所疊加(jiā)的正弦信号(hào)🔴平均值爲0而(ér)且相位連續(xu)頻移鍵控技(ji)術要求在波(bo)特率爲1200Hz的數(shu)據位1和0的邊(biān)界的🤩相位角(jiǎo)是連續的,所(suo)以數字通訊(xun)信号不會影(yǐng)響4~20mA的模拟信(xin)号.
1.2數據鏈路(lu)層規範
　　這一(yi)部分協議規(gui)定了HART幀的格(gé)式,實現建立(li)、維護、終結🈚鏈(liàn)路通訊功能(neng),HART協議根據冗(rong)餘檢錯碼信(xìn)息,通過差錯(cuo)檢測機制🐪和(hé)采用自動重(zhòng)發請求協議(yi)(ARQ),實現通訊數(shu)據無差錯傳(chuan)送.
　　與協議相(xiàng)關的實體間(jian)的數據傳輸(shu)是以幀的形(xing)式實現的.幀(zhen)是用戶控制(zhi)和尋址信息(xī)對用戶數據(ju)的📞封裝❗,隻有(yǒu)🔱幀中🔱的字節(jie)記數結束且(qie)經過了差錯(cuò)檢🔴驗接收正(zheng)确無誤或是(shì)物理層通知(zhi)信⚽号傳輸終(zhong)止(如檢測不(bu)👅到載波)之❄️後(hòu)才可以進行(háng)幀的識别.HART幀(zhen)的格式如圖(tu)1所示.
 
●PREAMBLE前導信(xin)号:實際上是(shi)同步信号,各(ge)通訊設備可(kě)以據此略🐉做(zuo)調整,保證信(xin)息的同步.
●DELM定(dìng)界符:一個獨(du)特的或是最(zuì)容易識别的(de)字符.最高位(wei)規定幀的尋(xún)址信息分爲(wèi)長格式或短(duan)格式,低3位定(ding)義了幀的類(lèi)☀️型.
●ADDR地址字節(jiē):包含了源地(di)址和目的地(di)址,最高位都(dou)用來表❌示與(yǔ)該幀相關的(de)主設備的地(di)址.“1”表示基本(běn)主設備⛹🏻‍♀️;“0”表示(shi)副主設備💯.
●COM命(ming)令字節:表示(shi)現場儀表所(suǒ)要執行的功(gōng)能,範圍爲255個(gè).
●BYTECORNT數據總長度(du):該值表示的(de)是BYTECORNT下一個字(zi)節到最後(不(bu)🐅包😄括校驗字(zi)節)的字節數(shu).
●DATA數據字節:傳(chuan)送用戶數據(jù)和響應數據(ju),但不是每個(ge)幀中都會包(bao)含數據.
●CHK奇偶(ou)校驗:方式是(shi)縱向奇偶校(xiao)驗.
　　在數據鏈(lian)路層中的HART協(xie)議是一種“主(zhǔ)從”協議,即由(you)主💯設備🔞産生(sheng)消息,而從設(she)備隻在接收(shōu)到發送給它(ta)的消息後才(cai)🚶‍♀️做出應答.在(zài)從設備的應(yīng)答消息中除(chu)了已被接收(shou)的确認命令(lìng),許多消息中(zhōng)還包含了主(zhu)設🌈備詢問的(de)數據.HART協議允(yǔn)許系統中同(tóng)時有兩個主(zhǔ)設💞備運行,一(yī)個基本主設(she)備,一個副主(zhǔ)設備.從設備(bèi)根據兩個主(zhǔ)設🐇備不同的(de)地址來向它(ta)們分發各自(zì)的應答命令(ling)消息.
　　實際上(shang)在智能現場(chang)設備與中央(yāng)控制或監測(cè)設備的信🔞息(xi)往🐕返通訊,根(gēn)據傳輸信号(hào)的不同,可以(yǐ)分爲以下3種(zhǒng)通訊模式:模(mo)拟模式、模拟(ni)+數字模式和(he)廣播(全數字(zì))模式.
1.3應用層(céng)規範
　　HART協議中(zhōng)包含三類命(ming)令:第一類爲(wei)通用命令印(yìn)l,适用于遵守(shǒu)HART協議的所有(yǒu)産品,符合HART協(xie)議的設備提(ti)供功能描述(shu);第💃二類爲普(pǔ)通操作命令(lìng),适用于遵守(shǒu)HART協議的大部(bù)分産品✨,當設(shè)備具有某些(xiē)功能💃🏻時,該命(mìng)令用于對這(zhe)些功能的描(miáo)述;第三類爲(wei)設備特📐殊命(ming)令,适用于遵(zūn)守HART協議的特(tè)殊産品,提供(gòng)一些特殊的(de)功能描述命(mìng)令.HART協.議對于(yú)廠家生産的(de)具有特殊功(gong)能的産品還(hái)提供了設備(bei)描述☀️語言DDL以(yǐ)确保互操作(zuo)性.
2基于HART協議(yi)的智能電磁(cí)流量計的硬(ying)件設計
　　帶有(you)HART通訊協議的(de)智能電磁流(liu)量計的硬件(jian)系統電路采(cǎi)用模塊化設(shè)計,主要包括(kuò)傳感器模塊(kuai)、MCU模塊.HART通訊模(mo)塊和人機界(jiè)面模塊⛷️4個部(bu)分.
　　由單片機(jī)控制的低頻(pín)勵磁電流輸(shū)出到傳感器(qì)的勵磁線圈(quan)中,同時來自(zì)電磁流量傳(chuan)感器的微小(xiǎo)電勢信号經(jing)前置放大後(hòu)通過AD模數轉(zhuǎn)換電路送入(ru)到單片機🙇‍♀️.單(dān)片機對這些(xie)信号進行數(shù)據采集,分析(xī)處理送至液(ye)晶顯示屏進(jìn)行瞬時流量(liang)和累積流量(liàng)的顯示.同時(shí)單片機通過(guò)計算公式對(dui)得🐉到的流量(liàng)值進行補償(cháng),将補償後的(de)流量信号通(tong)過HART通訊模塊(kuai)實現與上位(wèi)機的遠程通(tong)訊.
2.1HART通訊模塊(kuài)設計
　　HT2012芯片用(yong)來實現HART協議(yì)中通訊信号(hào)的解調及調(diao)制過程.圖2爲(wèi)調制解調器(qi)與微處理器(qì)的連接.
 
　　HART信号(hao)的解調過程(cheng):由帶通濾波(bō)器輸出的脈(mo)沖信号進入(rù)HT2012後,調制解調(diào)器分别将脈(mo)沖信号中的(de)1200Hz和2200Hz解調爲數(shu)字1和🐉0再将💔數(shu)字信号由HT2012的(de)ORXD端口輸出,CPU對(duì)接收到的數(shù)據進行判斷(duan)并執行相應(ying)📧的任務⛱️.
2.2HT2012與外(wai)部接口.
　　HART數字(zi)信号規範是(shì)峰值爲1mA、平均(jun)值爲0mA正弦交(jiāo)流電流信🚶‍♀️号(hào),此信🙇‍♀️号經線(xian)路阻抗轉化(hua)爲正弦交流(liu)電壓信号,而(ér)HT2012輸入和輸出(chū)信号是0~5V的方(fang)波信号,因此(ci)在HT2012和外部的(de)HART信💃🏻号之間還(hai)需要有濾波(bō)電路和整形(xing)電路.
　　如圖3所(suo)示,由TLC27組成的(de)濾波器是帶(dài)通濾.波器,用(yòng)來減少接收(shou)信号的噪聲(shēng)幹擾.濾波器(qì)還用來消除(chú)波形中的✏️尖(jian)峰👌,從而使接(jiē)收到的信号(hao)變得平緩.TLC37組(zu)成的數字方(fāng)波産生回路(lu)把經過TLC27濾波(bō)後的正弦波(bo)轉變成相應(yīng)的方波,以便(bian)👉于HT2012接收.
 
　　如圖(tú)4所示,緩沖器(qi)74HC126的作用是使(shǐ)方波的.上升(shēng)沿和下降㊙️沿(yán)趨于平緩,使(shǐ)信号滿足HART物(wù)理層規範所(suo)要求的🈲信号(hào)波形上升沿(yan)和下沿的時(shí)要求,因爲較(jiào)平緩的上升(shēng)沿和'下降沿(yán)時間可以降(jiàng)低與其它網(wang)絡間的串擾(rǎo).
 
　　HT2012需要外部提(tí)供4608kHz的時鍾信(xìn)号,且要求時(shi)鍾頻率的誤(wu)🙇🏻差是Q1%,若直接(jie)入一個4608kHz的晶(jīng)振不僅會引(yǐn)起系統功耗(hào)的增加,而且(qie)該晶振屬于(yu)⭕非标準晶振(zhèn),需專門定制(zhi).爲了解決這(zhe)一問題,在系(xi)統中采用一(yī)片1.8432MHz的晶振以(yi)産生時鍾信(xin)号,再經㊙️分頻(pín)器CD4013進行4分頗(po),可輸出1.8432MHz4=4608kHz的分(fen)頻信号供HT2012使(shi)用.
　　AD421其内部的(de)電壓調節器(qì)與外部的場(chang)效應管DN25D對輸(shu)入🔴到AD421的電⛷️壓(yā)進行調整,可(ke)提供十33V電壓(yā)作爲其他設(she)備❄️的電源.HART發(fa)出的🏃‍♂️FSK信号,經(jīng)過㊙️一個電容(róng)耦合送到AD421中(zhong),轉換成相應(ying)的0.5mA正弦電流(liú)🌐信号,實🈲現電(dian)壓信号到電(diàn)流信号的轉(zhuan)換,同時,疊加(jiā)在4~20mA的電💋流.上(shàng)送給接收設(she)備📧,實現了HART協(xié)議的信息的(de)交換.本電路(lù)耦合電容取(qu)爲🍉0.0033HE,如圖5所示(shi).
 
3HART通訊協議的(de)軟件實現
3.1智(zhì)能電磁流量(liang)計串口中斷(duan)程序
　　在HART通信(xin)中,智能電磁(ci)流量計作爲(wèi)從設備.進行(háng)通訊🔴,所以這(zhe)裏的軟件設(she)計隻是針對(duì)于從設備.HART通(tōng)信采用水平(píng)和☎️垂直校驗(yan)的方☀️法.當檢(jiǎn)測到接收數(shù)據有👉差錯時(shi)🍓,則等到主設(she)備🙇‍♀️命令幀發(fā)完後,通知主(zhu)設備數據接(jiē)收有誤.主設(shè)備則重新發(fā)命令幀,從而(ér)保證通信的(de)正确可靠.HART中(zhong)斷子程序流(liu)程圖如圖6所(suo)示.
　　由于HART通信(xin)爲主從方式(shi),HART幀中每個字(zì)節在物理層(céng)傳輸需要🔞9ms左(zuo)右,爲了保證(zhèng)通訊的實時(shí)性,通訊程序(xu)采用串💰行口(kǒu)終端⛹🏻‍♀️接收發(fā)送.該中斷所(suǒ)要完成通信(xin)中的主要🈲任(rèn)務,即接收和(hé)發送幀,幀的(de)拆分和打包(bao).
 
3.2上位機軟件(jiàn)數據采集程(cheng)序
1)形成讀流(liu)量計長幀地(di)址命令字:5個(gè)FF前導碼;起始(shǐ)字🔞符爲02(采用(yòng)短幀格式時(shi),主設備向從(cóng)設備發送);地(di)址爲00(輪循地(dì)址);命令字是(shi)00(讀變送器标(biao)識命令字節(jiē)數);無數據
2)追(zhui)加校驗和:采(cai)用異或邏輯(ji)運算求校驗(yàn)和追加在字(zì)節數後,形成(cheng)完整命令.
3)按(àn)異步串行通(tōng)信方式發送(sòng)命令并接收(shou)從設備回答(da)的🌂信🥰息.
4)從回(hui)答的信息中(zhōng)提取流量計(jì)長幀地址.
5)形(xíng)成讀流量計(jì)其他數據命(mìng)令:5個FF前導碼(ma);起始字符爲(wei)82(采用長幀☁️格(ge)式時,主設備(bei)向從設備發(fā)送);地址爲流(liú)量計長👌幀地(di)💔址;命令字♍、字(zi)節數和數據(jù)略;采用異或(huò)邏輯運算求(qiu)校驗和,追加(jiā)在字節數⚽後(hou),形成完整命(ming)令.
4結論
　　對研(yan)制的智能電(dian)磁流量計進(jìn)行試驗表明(míng):該流.量計集(ji)成化程度高(gāo)、功能強、操作(zuò)方便、性能可(ke)靠;具有自診(zhěn)斷、自❓檢定功(gōng)能和HART數據通(tong)訊功能;可測(cè)正反兩個方(fāng)向🎯流量,也可(kě)測脈動流量(liang);抗電磁幹擾(rao)和溫度性能(néng)好,适☔合于現(xian)場測量和顯(xian)示;測量範圍(wei)大,精度高.

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