摘要:HART,即HighwayAddresableRemoteTransducer,是(shi)可尋址遠(yuan)程傳感器(qi)高速公路(lu)的簡稱，其(qi)特點是在(zai)不幹擾4~20mA模(mo)拟信号的(de)同時允許(xu)雙向數字(zi)通訊🧡。本文(wen)從兩🌈方面(mian)讨論基于(yu)HART協議智能(neng)電磁流量(liang)計具體實(shi)現的🏃技術(shu)問🌈題，一是(shi)要解決硬(ying)件電路的(de)設計問題(ti)♉，二是要讨(tao)論實現HART協(xie)議命令集(ji)編程及上(shang)位機軟件(jian)的實現。智(zhi)能電磁流(liu)量計設計(ji)應用HART協議(yi)🚶
一、前言
　　符(fu)合HART協議的(de)智能電磁(ci)流量計 不(bu)僅可以實(shi)現各種流(liu)量的檢測(ce)和就地顯(xian)示，還可以(yi)通過上位(wei)計進行遠(yuan)程設定，改(gai)變流量計(ji)的零點、量(liang)程，以及💁完(wan)成自診斷(duan)等功能，因(yin)此在流量(liang)計的使🔞用(yong)和維護中(zhong)更加方便(bian)。
二、HART協議簡(jian)介
　　HART協議遵(zun)循ISO制訂的(de)OS1開放式系(xi)統互連參(can)考模型，采(cai)用了OSI模型(xing)的第--層、第(di)二層和第(di)七層，即物(wu)理層、數據(ju)鏈🔴路層和(he)應用層。
1.物(wu)理層規範(fan)
　　HART協議采用(yong)美國電話(hua)通訊系統(tong)Bel1202頻移鍵控(kong)(FSK)标準，在4~20mA的(de)🐉模拟士0.5mA的(de)正弦波，波(bo)特率是1200bps.因(yin)爲所疊加(jia)的正弦信(xin)号平均值(zhi)爲0,而🔞且相(xiang)位連續頻(pin)移鍵控技(ji)術要求在(zai)波特率爲(wei)1200Hz的數❓據位(wei)1和0的邊界(jie)的相位角(jiao)是連續的(de)，所以數字(zi)通訊信号(hao)不會影響(xiang)4~20mA的模拟信(xin)📐号。
2.數據鏈(lian)路層規範(fan)
　　這一部分(fen)協議規定(ding)了HART幀的格(ge)式，實現建(jian)立、維護、數(shu)❌據鏈路通(tong)✔️訊功能，HART協(xie)議根據冗(rong)餘檢錯碼(ma)信息，通過(guo)差錯檢測(ce)機制🌐和采(cai)用自🌐動重(zhong)發請求協(xie)議(ARQ),實現通(tong)訊數據無(wu)差錯傳送(song)。與協議相(xiang)關的數據(ju)傳輸是以(yi)幀的形式(shi)實現的。幀(zhen)是用戶控(kong)制和尋址(zhi)信息對用(yong)戶數據的(de)封裝，隻有(you)幀中的字(zi)節記數結(jie)束且經過(guo)了差錯檢(jian)驗🔞接收正(zheng)确無誤或(huo)是物理層(ceng)通知信号(hao)傳輸終止(zhi)(如檢測🔴不(bu)到載波)之(zhi)後才可以(yi)進行幀的(de)識别。
　　在數(shu)據鏈路層(ceng)中的HART協議(yi)是--種“主1從(cong)”協議。在從(cong)設備🏃🏻‍♂️的應(ying)答☂️消息中(zhong)除了已被(bei)接收的确(que)認命令，許(xu)多消息中(zhong)還包含了(le)💋主設備詢(xun)問的數據(ju)。HART協議允許(xu)系統中同(tong)時有兩個(ge)主設備🚶‍♀️運(yun)行，一📱個基(ji)本主設備(bei)，一個副主(zhu)設備。從設(she)備根據兩(liang)個主設備(bei)不同🧡的地(di)址來向它(ta)們分發各(ge)自的應答(da)命令消息(xi)。
3.應用層規(gui)範
　　規定了(le)HART消息包中(zhong)的3類命令(ling)，第一類是(shi)通用命令(ling),适用于遵(zun)👄守HART協議的(de)所有産品(pin)，爲符合HART協(xie)議的設備(bei)提供功能(neng)描述;第二(er)類☁️是普通(tong)操作命令(ling),适用于遵(zun)守HART協議的(de)大部分産(chan)品;第三類(lei)是設備特(te)殊命令,适(shi)用于遵守(shou)HART協議的特(te)殊産品。
三(san)、基于HART協議(yi)的智能電(dian)磁流量計(ji)的通訊模(mo)塊設計
　　帶(dai)有HART通訊協(xie)議的智能(neng)電磁流量(liang)計的硬件(jian)系統電路(lu)采用🈲模塊(kuai)化設計，主(zhu)要包括傳(chuan)感器模塊(kuai)，MCU模塊、HART通訊(xun)模塊和人(ren)機界面模(mo)塊四個部(bu)分。
　　由單片(pian)機控制的(de)低頻勵磁(ci)電流輸出(chu)到傳感器(qi)的勵磁線(xian)圈中，同時(shi)來自電磁(ci)流量傳感(gan)器的微小(xiao)電勢信号(hao)經前置放(fang)大後通♉過(guo)AD模數轉換(huan)電路送入(ru)到😍單片機(ji)。單片機對(dui)這些信号(hao)進💃行數據(ju)采集，分析(xi)處理送至(zhi)液晶顯示(shi)屏進行瞬(shun)時🔴流量和(he)累積流量(liang)的顯示。同(tong)時單片機(ji)通過計算(suan)公式對得(de)到的流量(liang)值進行補(bu)償，将補償(chang)後的流量(liang)信号通過(guo)HART通訊模塊(kuai)實現與上(shang)位機的遠(yuan)程通訊。本(ben)文隻介紹(shao)HART通訊模塊(kuai)設計:
　　HT2012芯片(pian)用來實現(xian)HART協議中通(tong)訊信号的(de)解調及調(diao)制過程。HART信(xin)号㊙️的解💰調(diao)過程:由帶(dai)通濾波器(qi)輸出的脈(mo)沖信号進(jin)入HT2012後，調制(zhi)解調✂️器分(fen)别将脈沖(chong)信号中的(de)1200Hz和2200Hz解調爲(wei)數字1和0，再(zai)将數字🏃🏻‍♂️信(xin)号由HT2012的ORXD端(duan)口輸出，微(wei)處理器(CPU)對(dui)接收到的(de)數據進行(hang)判斷并執(zhi)行相應的(de)任務。
　　HART數字(zi)信号規範(fan)是峰值爲(wei)1mA、平均值爲(wei)0mA正弦交流(liu)電流⚽信🌈号(hao)，此信🔞号經(jing)線路阻抗(kang)轉化爲正(zheng)弦交流電(dian)壓信号，而(er)HT2012輸入和輸(shu)出信号是(shi)0~5V的方波信(xin)号，因此在(zai)HT2012和外👣部的(de)HART信号之間(jian)還需要有(you)濾波電路(lu)和🔆整形電(dian)路。
　　由TLC27組成(cheng)的濾波器(qi)是帶通濾(lü)波器，用來(lai)減少接收(shou)信号的噪(zao)聲幹擾。濾(lü)波器還用(yong)來消除波(bo)形中的尖(jian)峰💯，從而使(shi)接收到🌐的(de)信号變得(de)平緩。TLC37組成(cheng)的數字方(fang)波産生回(hui)路把經📱過(guo)TLC27濾波後的(de)正♈弦波轉(zhuan)變成相應(ying)的方波，以(yi)便于HT2012接收(shou)。
　　緩沖器74HC126的(de)作用是使(shi)方波的上(shang)升沿和下(xia)降沿趨于(yu)平緩㊙️,使🐪信(xin)号⛷️滿足HART物(wu)理層規範(fan)所要求的(de)信号波形(xing)💘上升沿和(he)下沿的時(shi)要求，因爲(wei)較平級的(de)上升沿和(he)下降沿時(shi)間可☎️以降(jiang)低與其它(ta)網絡間的(de)串擾。HT2012需要(yao)🥰外部提供(gong)460.8kHz的時鍾信(xin)号，且要求(qiu)時鍾頻率(lü)的誤差是(shi)🌈土0.1%，若直接(jie)輸入一個(ge)460.8kHz的晶振不(bu)僅會引起(qi)系統功耗(hao)的增加，而(er)且該📐晶振(zhen)屬于非标(biao)準晶振，需(xu)專門定制(zhi)。爲了解決(jue)這一-問題(ti)，在系統中(zhong)采用一片(pian)1.8432MHz的晶振以(yi)産生時鍾(zhong)信号，再經(jing)分頻器CD4013進(jin)行4分頗⭐，可(ke)輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分(fen)頻信号供(gong)HT2012使用。
　　AD421其内(nei)部的電壓(ya)調節器與(yu)外部的場(chang)效應管DN25D對(dui)輸入到AD421的(de)電壓進㊙️行(hang)調整，可提(ti)供+3.3V電壓作(zuo)爲其他設(she)備的電源(yuan)。HART發出♌的FSK信(xin)号，經過-一(yi)個電容耦(ou)合送到AD421中(zhong)，轉換成相(xiang)應的土0.5mA正(zheng)弦電流信(xin)号，實現電(dian)壓信号到(dao)電流信号(hao)的轉換，同(tong)時，疊⁉️加在(zai)4~20mA的電流上(shang)送給接收(shou)設備，實現(xian)了HART協議的(de)信息的交(jiao)☁️換。本電路(lu)耦合電容(rong)取爲0.0033μF。
四、HART通(tong)訊協議的(de)軟件實現(xian)
1.智能電磁(ci)流量計串(chuan)口中斷程(cheng)序
　　在串行(hang)口中斷服(fu)務程序中(zhong)，首先保護(hu)現場，然後(hou)判斷是接(jie)收中斷還(hai)是發送中(zhong)斷，若爲接(jie)收中斷則(ze)執行接收(shou)服務子程(cheng)序，否則執(zhi)行發送服(fu)務子程序(xu)。中斷處理(li)結束後，恢(hui)複現場幷(bing)返回系統(tong)主程序。HART通(tong)信采用水(shui)平和垂直(zhi)校驗的方(fang)法。當檢測(ce)到接收數(shu)據有差錯(cuo)時，則等到(dao)主設備命(ming)令幀發完(wan)後，通知主(zhu)設備數據(ju)接收有誤(wu)。主設備則(ze)重新發命(ming)令幀，從而(er)保證通信(xin)可靠。
　　在對(dui)命令幀響(xiang)應之前先(xian)要将該幀(zhen)拆分，即首(shou)先判斷該(gai)幀前導碼(ma)是否正确(que)，每接收一(yi)個前導碼(ma)，計數器加(jia)1,再接收定(ding)界符，若爲(wei)有效的定(ding)界符且前(qian)導碼計數(shu)器大于1,則(ze)爲HART幀的起(qi)始位置，根(gen)據定界符(fu)确定HART幀的(de)類型，若爲(wei)應答幀或(huo)成組模式(shi)幀則終止(zhi)接收服務(wu)，等待載波(bo)結束;若爲(wei)請求幀，則(ze)确定幀格(ge)式，設置接(jie)收長幀格(ge)式或短幀(zhen)格式地址(zhi)計數值，短(duan)幀格式地(di)址接收1個(ge)字節,長幀(zhen)格式地址(zhi)接收5個字(zi)節。再接收(shou)命令号,數(shu)據字節長(zhang)度字節，若(ruo)數據字節(jie)長度字節(jie)出現奇偶(ou)校驗錯誤(wu)則終止接(jie)收服務，等(deng)待載波結(jie)束;否則設(she)置數據字(zi)節長度計(ji)數器，每接(jie)收-一個數(shu)據字節，長(zhang)度計數器(qi)減1,最後接(jie)收水平校(xiao)驗和。若接(jie)收請求地(di)址匹配，對(dui)接收的HART幀(zhen)異或求水(shui)平校驗和(he)，并與接收(shou)水平校驗(yan)和進行比(bi)較，相同則(ze)表示無通(tong)訊錯誤，否(fou)則置水平(ping)校驗和錯(cuo)誤标志爲(wei)1,結束接收(shou)服務并轉(zhuan)入HART命令執(zhi)行子程序(xu)。
五、結論
　　對(dui)研制的智(zhi)能電磁流(liu)量計進行(hang)試驗表明(ming):該流量㊙️計(ji)集🍓成化程(cheng)度高、功能(neng)強、操作方(fang)便、性能可(ke)靠;具有自(zi)診🚶‍♀️斷、自檢(jian)定功能和(he)HART數💋據通訊(xun)功能;可測(ce)正反兩個(ge)方向👈流量(liang)，也可測脈(mo)🔞動流量;抗(kang)電磁幹擾(rao)和溫度性(xing)能好，适合(he)于現場測(ce)量和顯示(shi);測量範圍(wei)大,精度♈高(gao)。

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