摘要:HART,即HighwayAddresableRemoteTransducer,是(shì)可尋址遠(yuan)程傳感器(qi)高速公路(lu)的簡稱，其(qí)特🔞點🔴是在(zai)不幹擾4~20mA模(mó)拟信号的(de)同時允許(xǔ)雙向數字(zì)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(shì)💛要解決硬(yìng)件電路的(de)設計問題(ti)，二是要讨(tǎo)♉論實現HART協(xie)議命令集(jí)編程及上(shang)位機軟件(jiàn)的實現。智(zhì)能電磁流(liú)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(wèi)計進行遠(yuan)程設定，改(gǎi)變流量計(jì)的零點💋、量(liàng)程，以及🤟完(wán)成自診斷(duan)等🔆功能，因(yīn)此在流量(liang)計的使用(yòng)和維護中(zhong)更加方便(biàn)。
二、HART協議簡(jian)介
　　HART協議遵(zūn)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(xíng)的第--層、第(di)二層和第(dì)七層，即物(wu)理層、數據(jù)鏈❌路層和(hé)應用層。
1.物(wù)理層規範(fàn)
　　HART協議采用(yòng)美國電話(hua)通訊系統(tong)Bel1202頻移鍵控(kòng)(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(yīn)爲所疊加(jiā)的正弦信(xìn)号平均值(zhí)爲0,而且相(xiang)位連續頻(pin)移鍵控技(jì)術要求在(zài)波特率爲(wèi)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(zì)通訊信号(hào)不會影響(xiǎng)4~20mA的模拟信(xìn)号。
2.數據鏈(liàn)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(tōng)訊功能，HART協(xié)議根據冗(rong)餘檢錯碼(mǎ)信息，通過(guò)差錯檢測(cè)機制和采(cǎi)用自💋動重(zhong)發請求協(xie)議(ARQ),實現通(tōng)訊數據無(wú)差錯傳送(song)。與協議相(xiang)🐅關的數據(ju)傳輸是以(yi)幀的形式(shì)實現的。幀(zhēn)是用戶控(kòng)制和尋址(zhǐ)信息對用(yòng)戶數據的(de)封裝，隻有(you)幀中的字(zì)節記數結(jié)束且經過(guo)了差錯檢(jian)驗💁接收正(zheng)确無誤或(huò)🐆是物理層(céng)通知信号(hào)傳輸終止(zhi)(如檢測不(bú)到載波)之(zhi)後才可以(yǐ)進行幀的(de)識别。
　　在數(shù)據鏈路層(céng)中的HART協議(yi)是--種“主1從(cóng)”協議。在從(cóng)設備的應(ying)答消🐅息中(zhōng)除了已被(bèi)接收的确(que)認命令，許(xǔ)多消息中(zhōng)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(jī)本主設備(bei)，一個副主(zhǔ)設備。從設(shè)備根據兩(liǎng)個主設備(bei)不同的地(di)址來向它(tā)們分發各(gè)自的應答(dá)命令消息(xī)。
3.應用層規(gui)範
　　規定了(le)HART消息包中(zhong)的3類命令(lìng)，第一類是(shi)通用命令(lìng),适用于遵(zūn)守🚩HART協議的(de)所有産品(pin)，爲符合HART協(xié)議的設備(bèi)提供功能(néng)描述;第二(èr)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(shì)用于遵守(shǒu)HART協♋議的特(tè)殊♉産品。
三(san)、基于HART協議(yì)的智能電(diàn)磁流量計(jì)的通訊模(mo)塊設計
　　帶(dai)有HART通訊協(xie)議的智能(néng)電磁流量(liàng)計的硬件(jian)系統電路(lu)采用模塊(kuai)化設計，主(zhǔ)要包括傳(chuan)感器模塊(kuài)，MCU模塊、HART通訊(xùn)模塊和人(rén)機界面模(mo)塊四個部(bù)分。
　　由單片(pian)機控制的(de)低頻勵磁(ci)電流輸出(chū)到傳感器(qì)的勵🏃‍♂️磁線(xian)圈中，同時(shí)來自電磁(ci)流量傳感(gǎn)器的微小(xiao)電勢信号(hào)經前置放(fang)大後通過(guo)AD模數轉換(huàn)電路送入(ru)到單片機(ji)🧡。單片機對(duì)這些信号(hào)進行數據(ju)🐪采集，分析(xī)處理送至(zhi)液晶顯示(shì)屏❗進行瞬(shùn)時流量和(hé)累積流量(liang)的顯示。同(tóng)時單片機(jī)通過計✉️算(suàn)公式對得(de)到的流量(liàng)值進行補(bǔ)償，将補償(cháng)後的流量(liang)信号通過(guò)HART通訊模塊(kuài)實現與上(shang)位🌏機的遠(yuǎn)🌈程通訊。本(běn)文隻介紹(shao)HART通訊模塊(kuài)設計:
　　HT2012芯片(piàn)用來實現(xiàn)HART協議中通(tōng)訊信号的(de)解調及調(diào)制過程。HART信(xin)号的☔解調(diao)過程:由帶(dài)通濾波器(qì)輸出的脈(mò)沖信号進(jìn)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(zài)将數字信(xìn)号由HT2012的ORXD端(duān)口輸出，微(wei)處理器(CPU)對(duì)接收到的(de)數據進行(hang)判斷并執(zhí)行相🔅應的(de)任務。
　　HART數字(zì)信号規範(fàn)是峰值爲(wei)1mA、平均值爲(wei)0mA正弦交流(liu)電流信号(hào)😘，此信号經(jīng)線路阻抗(kàng)轉化爲正(zheng)弦交流電(dian)壓信号，而(ér)HT2012輸入和輸(shu)出信号是(shì)0~5V的方波信(xin)号，因此在(zai)HT2012和外☎️部的(de)HART信号之間(jiān)還需要有(yǒu)濾波電路(lu)和整形電(dian)路。
　　由TLC27組成(cheng)的濾波器(qì)是帶通濾(lü)波器，用來(lai)減少接收(shōu)信号的噪(zào)聲幹擾。濾(lǜ)波器還用(yòng)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(chéng)的數字方(fāng)波産生回(huí)路把經過(guo)TLC27濾波後的(de)正弦波轉(zhuǎn)變成相應(ying)的方波，以(yǐ)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(yú)平緩,使🌈信(xin)号滿足HART物(wù)理層規範(fàn)所要求的(de)信号波形(xíng)✉️上升📱沿和(hé)下沿♊的時(shí)要求，因爲(wèi)較平級的(de)上升沿和(hé)下降沿時(shí)間可以降(jiàng)低與其它(tā)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(lǜ)♉的誤差是(shi)⚽土0.1%，若直接(jiē)輸入一個(gè)460.8kHz的晶振不(bu)僅會引起(qǐ)系統功耗(hao)的增加，而(ér)且⭕該晶振(zhèn)屬于非标(biao)準晶振，需(xu)專門定制(zhì)。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(kě)輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分(fèn)頻信号供(gòng)HT2012使用。
　　AD421其内(nèi)部的電壓(ya)調節器與(yǔ)外部的場(chǎng)效應管DN25D對(dui)輸入到🧑🏾‍🤝‍🧑🏼AD421的(de)電壓♋進🏃🏻行(háng)調整，可提(tí)供+3.3V電壓作(zuò)爲其他設(shè)備的電源(yuan)。HART發出的FSK信(xìn)号，經過-一(yi)個電容耦(ou)合送到AD421中(zhōng)，轉換🔅成相(xiàng)應的土0.5mA正(zhèng)弦電流信(xìn)号，實現電(dian)壓信号到(dào)電流信号(hào)的轉換，同(tóng)時，疊加在(zai)4~20mA的電流上(shàng)送給接收(shōu)設備🐅，實現(xiàn)了HART協議的(de)信息的交(jiāo)換。本電路(lu)耦合電容(rong)取爲0.0033μF。
四、HART通(tōng)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(háng)口中斷服(fú)務程序中(zhōng)，首先保護(hù)現場，然後(hòu)判斷是接(jiē)收中斷還(hái)是發送中(zhōng)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(fú)務子程序(xu)。中斷處理(li)結束後，恢(hui)複現場幷(bīng)返回系統(tǒng)主程序。HART通(tong)信采用水(shui)平和垂直(zhí)校驗的方(fāng)法。當檢測(ce)到接收數(shù)據有差錯(cuo)時，則等到(dào)主設備命(ming)令幀發完(wan)後，通知主(zhǔ)設備數據(ju)接收有誤(wù)。主設備則(ze)重新發命(ming)令幀，從而(er)保證通信(xin)可靠。
　　在對(duì)命令幀響(xiǎng)應之前先(xiān)要将該幀(zhēn)拆分，即首(shǒu)先判斷該(gāi)幀前導碼(mǎ)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(dìng)界符且前(qián)導碼計數(shu)器大于1,則(zé)爲HART幀的起(qǐ)始位置，根(gen)據定界符(fú)确定HART幀的(de)類型，若爲(wei)應答幀或(huo)成組模式(shì)幀則終止(zhǐ)接收服務(wù)，等待載波(bō)結束;若爲(wei)請求幀，則(ze)确定幀格(ge)式，設置接(jiē)收長幀格(ge)式或短幀(zhen)格式地址(zhi)計數值，短(duǎn)幀格式地(dì)址接收1個(gè)字節,長幀(zhen)格式地址(zhi)接收5個字(zì)節。再接收(shou)命令号,數(shu)據字節長(zhǎng)度字節，若(ruo)數據字節(jiē)長度字節(jie)出現奇偶(ǒu)校驗錯誤(wù)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(jì)數器，每接(jie)收-一個數(shù)據字節，長(zhǎng)度計數器(qi)減1,最後接(jiē)收水平校(xiao)驗和。若接(jiē)收請求地(di)址匹配，對(dui)接收的HART幀(zhen)異或求水(shuǐ)平校驗和(he)，并與接收(shōu)水平校驗(yan)和進行比(bi)較，相同則(ze)表示無通(tōng)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(zhuǎn)入HART命令執(zhí)行子程序(xu)。
五、結論
　　對(duì)研制的智(zhì)能電磁流(liu)量計進行(háng)試驗表明(ming):該流量計(ji)🔆集成化程(cheng)度高、功能(neng)強、操作方(fāng)便、性能可(ke)靠;具有💋自(zi)診斷、自檢(jiǎn)定功能和(hé)HART數據通訊(xun)功能;可測(cè)正反兩個(ge)方向流量(liang)，也可測脈(mò)動流量☁️;抗(kàng)電磁幹擾(rao)和溫度性(xìng)能好，适合(hé)于現場🙇🏻測(ce)量和顯示(shi);測量範❌圍(wéi)大,精度🤞高(gao)。

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