摘要:現場總(zong)線控制系統(tong)代表了工業(ye)控制系統向(xiàng)分散化、網絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向.爲(wei)構建現場總(zong)線型工業💃測(cè)控系統,要求(qiú)系統中所有(yǒu)儀表都應具(jù)有現場總線(xiàn)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(zài)對HART協議進行(háng)詳細分析的(de)基礎上,重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)設計結構以(yi)及HART協議在智(zhì)能電磁流量(liàng)計 中的軟硬(yìng)件實.現方法(fa).測試結果表(biǎo)明,該設計滿(man)足現⛷️場實際(ji)要求,達到了(le)設計目的.
　　HART,即(jí)HighwayAddressableRemoteTransdueer是可尋址遠(yuan)程傳感器高(gāo)速公路的簡(jian)稱,其特點🔞是(shì)✌️在不幹擾4~20mA模(mo)拟信号的同(tóng)時允許雙向(xiàng)數:字通訊🏃.符(fu)合♍HART協議的智(zhi)能電磁流量(liàng)計不僅可以(yǐ)實現各種👄流(liú)量的檢測和(hé)就地顯🚶‍♀️示,還(hái)可以通過上(shang)位機進行遠(yuǎn)程設定,改變(bian)流量計的零(líng)點.量程,以及(jí)完成自診☁️斷(duàn)等功能,在🤞很(hen)大程度上🐪方(fāng)便了流量計(jì)的使用和維(wéi)護,因而具有(yǒu)⭐較強的市場(chǎng)競争力L-31.本文(wén)讨論基于HART協(xie)議智能電磁(cí)流量計具體(tǐ)實現的技術(shù)問題,一.是要(yào)💃🏻解決硬件電(diàn)路的設計問(wèn)題,二是要讨(tao)🌈論實現HART協✨議(yì)命令集編程(chéng)及上位機軟(ruan)件的實現.
1HART協(xié)議簡介
　　HART協議(yì)遵循ISO制訂的(de)OSI開放式系統(tong)互連參考模(mo)型,采用了OSI模(mó)型的❤️第一層(céng)、第二層和第(dì)七層,即物理(lǐ)層、數據鏈路(lù)層和應用層(ceng).
1.1物理層規範(fàn)
　　HART協議采用美(měi)國電話通訊(xun)系統Bel202頻.移鍵(jian)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(jia)的正弦信号(hào)平均值爲🌍0而(er)且相位連續(xu)頻移鍵控技(jì)術要求在波(bo)🌂特率爲1200Hz的數(shu)據位1和0的邊(bian)界的⭐相位角(jiao)是連續的,所(suǒ)以數字通✌️訊(xùn)信号不會影(yǐng)響4~20mA的模拟信(xìn)号.
1.2數據鏈路(lù)層規範
　　這一(yī)部分協議規(gui)定了HART幀的格(ge)式,實現建立(lì)、維護、終結鏈(lian)💜路通訊功能(neng),HART協議根據冗(rong)餘檢錯碼信(xin)息,通過差錯(cuo)檢測機制和(hé)采用自動重(zhong)發請求協議(yi)(ARQ),實現通訊數(shu)據無差錯傳(chuán)送.
　　與協議相(xiang)關的實體間(jian)的數據傳輸(shū)是以幀的形(xing)式實現的.幀(zhēn)是用戶控制(zhì)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(zhèng)确無誤或是(shì)物理層通知(zhi)信号傳輸終(zhong)止(如檢測不(bú)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(xìn)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(xìn)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(wei)長格式或短(duǎn)格式,低3位定(ding)義了幀的類(lei)型.
●ADDR地址字節(jiē):包含了源地(dì)址和目的地(di)址,最高位都(dou)用來🐪表示與(yu)該幀相關的(de)主設備的地(di)址.“1”表示基本(ben)主設備;“0”表示(shì)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(dù):該值表示的(de)是BYTECORNT下一個字(zì)節到最後(不(bu)包括校驗字(zi)節)的字節數(shù).
●DATA數據字節:傳(chuan)送用戶數據(ju)和響應數據(jù),但不是每個(gè)幀中都會包(bao)💛含數據.
●CHK奇偶(ǒu)校驗:方式是(shi)縱向奇偶校(xiào)驗.
　　在數據鏈(lian)路層中的HART協(xié)議是一種“主(zhǔ)從”協議,即由(you)主設備産生(shēng)💚消息,而從設(shè)備隻在接收(shōu)到發送給它(tā)的消息♉後才(cái)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(ling)🌈,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(zhu)設👈備運行,一(yi)個基本主設(she)備,一個副主(zhǔ)設備.從設備(bèi)根📱據兩個主(zhu)設備🏃‍♂️不同的(de)地址來向它(ta)們分發各自(zì)的🔴應答命令(lìng)♍消息.
　　實際上(shang)在智能現場(chang)設備與中央(yāng)控制或監測(ce)設備的信息(xi)🈲往返通訊,根(gen)據傳輸信号(hao)的不同,可以(yǐ)分爲以下3種(zhǒng)通訊模式:模(mo)拟模✉️式、模拟(nǐ)+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(zhong)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(xié)議的設備提(tí)供功能描述(shù);第二類爲普(pu)通操作命令(ling),适用于遵守(shou)HART協議的大部(bu)分産品,當設(she)備具有某些(xiē)功能時,該命(mìng)令用于對這(zhè)些功能的描(miao)述;第三類爲(wei)設備特殊命(ming)令,适🔆用于遵(zun)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(yi)确㊙️保互操作(zuò)性.
2基于HART協議(yi)的智能電磁(cí)流量計的硬(yìng)件設計
　　帶有(yǒu)HART通訊協議的(de)智能電磁流(liu)量計的硬件(jiàn)系統電🚶‍♀️路采(cǎi)用🔱模🚶‍♀️塊化設(shè)計,主要包括(kuò)傳感器模塊(kuài)、MCU模塊.HART通❗訊模(mo)塊和人機界(jiè)面模塊4個部(bù)分.
　　由單片機(ji)控制的低頻(pín)勵磁電流輸(shu)出到傳感器(qì)的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻勵🔴磁線圈(quān)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(dan)片機對這些(xiē)信号進行數(shu)據采集,分析(xi)處理送至液(yè)晶顯示屏進(jìn)行瞬時💃🏻流量(liàng)和累積流量(liàng)的顯示.同時(shi)單片機通過(guo)計算公式對(duì)得到的流量(liàng)值🐉進行補償(chang),将補償後的(de)流量信㊙️号通(tong)過HART通訊模塊(kuài)實現與上位(wèi)機的遠程通(tōng)訊.
2.1HART通訊模塊(kuài)設計
　　HT2012芯片用(yong)來實現HART協議(yi)中通訊信号(hào)的解調及調(diào)制過程📱.圖2爲(wèi)調制解調器(qì)與微處理器(qi)的連接.
 
　　HART信号(hao)的解調過程(chéng):由帶通濾波(bo)器輸出的脈(mò)沖信号進㊙️入(ru)HT2012後,調⚽制解調(diao)器分别将脈(mo)沖信号中的(de)1200Hz和2200Hz解調爲數(shù)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(duàn)并執🔞行相應(yīng)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(jun1)值爲0mA正弦交(jiāo)流電流信号(hào),此信号經線(xian)路阻抗轉化(huà)爲正弦交流(liu)電壓信号,而(er)HT2012輸入和輸👣出(chu)信号是0~5V的方(fāng)波信号,因此(cǐ)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(yong)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(jiān)峰,從而🙇‍♀️使接(jie)收到的信号(hao)變得平緩.TLC37組(zǔ)成的數字方(fāng)波産生回路(lu)把經過TLC27濾波(bo)後的正弦波(bo)轉變成相應(ying)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(shi)方波的.上升(shēng)沿和下降沿(yán)📱趨于平緩,使(shǐ)信号滿足HART物(wu)理層規範所(suǒ)要求的信号(hao)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(yan)時間可以降(jiang)低與其🈲它網(wang)絡間的串擾(rao).
 
　　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(wù)差♻️是Q1%,若直🆚接(jie)入一個4608kHz的晶(jing)振不僅會引(yin)起系統功耗(hào)的增💰加,而且(qiě)該💔晶振♈屬于(yú)非标準晶振(zhèn),需專門定制(zhì).爲了解決這(zhe)一問題,在系(xi)統中采用一(yi)片1.8432MHz的晶振以(yi)産生時鍾信(xìn)号,再經分頻(pín)器CD4013進行4分頗(pō),可輸出1.8432MHz4=4608kHz的分(fèn)頻信号供HT2012使(shi)用.
　　AD421其内部的(de)電壓調節器(qi)與外部的場(chǎng)效應管DN25D對輸(shu)入到AD421的電♈壓(yā)👣進行調整,可(kě)提供十33V電壓(yā)作爲其他設(she)備的電源.HART發(fā)💋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(yīng)的0.5mA正弦電流(liu)信号,實現電(diàn)壓信号到電(diàn)流信号的轉(zhuan)換,同時,疊加(jia)在4~20mA的電流.上(shang)送給接收設(shè)備,實現了HART協(xie)議✨的信息的(de)交換.本電路(lu)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(zhi)能電磁流量(liàng)計串口中斷(duan)程序
　　在HART通信(xìn)中,智能電磁(ci)流量計作爲(wèi)從設備.進行(hang)通訊,所🚩以這(zhe)裏的軟件設(she)計隻是針對(duì)于從設備.HART通(tong)信采用水平(ping)和垂直校驗(yàn)的方法.當檢(jiǎn)測到接收數(shu)據有差錯時(shí),則等到主設(shè)備命令幀發(fa)完後,通知主(zhu)設備數據接(jiē)收有誤.主設(shè)備則重新發(fa)命令幀,從而(er)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(suǒ)示.
　　由于HART通信(xìn)爲主從方式(shì),HART幀中每個字(zì)節在物理層(ceng)傳💯輸🐉需要🔴9ms左(zuo)✂️右,爲了保證(zheng)通訊的實時(shi)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(ren)務,即💋接收和(hé)👌發送幀,幀的(de)拆分和打包(bāo).
 
3.2上位機軟件(jian)數據采集程(cheng)序
1)形成讀流(liu)量計長幀地(dì)址命令字:5個(gè)FF前導碼;起始(shi)字☁️符🔞爲02(采用(yòng)短幀格式時(shí),主設備向從(cong)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(biāo)識命令字節(jie)數🔞);無數據
2)追(zhuī)加校驗和:采(cǎi)用異或邏輯(jí)運算求校驗(yàn)和追加在字(zi)節數後,形成(cheng)完整命令.
3)按(àn)異步串行通(tōng)信方式發送(song)命令并接收(shou)從設備回答(dá)🐪的信息❗.
4)從回(hui)答的信息中(zhong)提取流量計(jì)長幀地址.
5)形(xing)成讀流量計(ji)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(gé)式時,主設備(bei)向從設備發(fā)送);地址爲流(liu)量計長📐幀地(di)址;命令字、字(zi)節數和數據(ju)略;采用異或(huo)邏輯運算求(qiú)校驗和,追加(jia)在字節數後(hòu),形成完整命(ming)令.
4結論
　　對研(yán)制的智能電(dian)磁流量計進(jìn)行試驗表明(míng):該流.量計集(jí)成‼️化程🐉度高(gāo)、功能強、操作(zuò)方便、性能可(kě)靠;具有自診(zhěn)💋斷、自檢定功(gōng)能和HART數據通(tōng)訊功能;可測(cè)正反兩個方(fāng)向流量,也✉️可(ke)測脈動流量(liang);抗電磁幹擾(rǎo)和溫度性能(néng)好,适🎯合于現(xian)場測量和顯(xiǎn)💁示;測量範圍(wéi)大,精度高.

本(běn)文來源于網(wang)絡,如有侵權(quan)聯系即删除(chu)！