摘要(yao):HART,即HighwayAddresableRemoteTransducer,是(shi)可尋(xun)址遠(yuan)程傳(chuan)感器(qi)高速(su)公路(lu)的簡(jian)稱，其(qi)特點(dian)是在(zai)不幹(gan)擾4~20mA模(mo)拟信(xin)号的(de)同時(shi)允許(xu)雙向(xiang)數字(zi)通訊(xun)。本文(wen)從兩(liang)方面(mian)⭐讨論(lun)基于(yu)HART協議(yi)智能(neng)電磁(ci)流量(liang)❌計具(ju)體實(shi)現的(de)👣技術(shu)問題(ti)，一是(shi)要解(jie)決硬(ying)件電(dian)路的(de)設計(ji)問題(ti)，二是(shi)要讨(tao)論實(shi)現HART協(xie)議命(ming)令集(ji)編程(cheng)及上(shang)位機(ji)軟件(jian)的實(shi)現。智(zhi)能電(dian)磁流(liu)量計(ji)設計(ji)應用(yong)HART協議(yi)😄
一、前(qian)言
　　符(fu)合HART協(xie)議的(de)智能(neng)電磁(ci)流量(liang)計 不(bu)僅可(ke)以實(shi)現各(ge)種流(liu)量的(de)檢測(ce)和就(jiu)地顯(xian)示，還(hai)可以(yi)通過(guo)上位(wei)計進(jin)行遠(yuan)程設(she)定，改(gai)變流(liu)量計(ji)的零(ling)點、量(liang)程，以(yi)及完(wan)成自(zi)診斷(duan)等😘功(gong)能，因(yin)此在(zai)流量(liang)計的(de)使用(yong)和維(wei)護中(zhong)更加(jia)方便(bian)。
二、HART協(xie)議簡(jian)介
　　HART協(xie)議遵(zun)循ISO制(zhi)訂的(de)OS1開放(fang)式系(xi)統互(hu)連參(can)考模(mo)型，采(cai)用🥵了(le)🔞OSI模型(xing)的第(di)--層、第(di)二層(ceng)和第(di)七層(ceng)，即物(wu)理層(ceng)、數據(ju)鏈路(lu)層和(he)應♈用(yong)層。
1.物(wu)理層(ceng)規範(fan)
　　HART協議(yi)采用(yong)美國(guo)電話(hua)通訊(xun)系統(tong)Bel1202頻移(yi)鍵控(kong)(FSK)标準(zhun)，在4~20mA的(de)模拟(ni)✂️士0.5mA的(de)正弦(xian)波，波(bo)特率(lü)是1200bps.因(yin)爲所(suo)疊加(jia)的正(zheng)弦信(xin)号平(ping)🐅均值(zhi)爲0,而(er)且相(xiang)位連(lian)續頻(pin)移鍵(jian)控技(ji)術要(yao)求在(zai)波特(te)率爲(wei)1200Hz的數(shu)據位(wei)1和♉0的(de)邊界(jie)的相(xiang)位角(jiao)是連(lian)續的(de)，所以(yi)數字(zi)通訊(xun)信号(hao)不會(hui)影響(xiang)4~20mA的模(mo)拟信(xin)号。
2.數(shu)據鏈(lian)路層(ceng)規範(fan)
　　這一(yi)部分(fen)協議(yi)規定(ding)了HART幀(zhen)的格(ge)式，實(shi)現建(jian)立、維(wei)護、數(shu)據鏈(lian)👈路通(tong)訊功(gong)能，HART協(xie)議根(gen)據冗(rong)餘檢(jian)錯碼(ma)信息(xi)，通過(guo)差錯(cuo)檢測(ce)機制(zhi)和采(cai)🌂用自(zi)動重(zhong)發請(qing)求協(xie)議(ARQ),實(shi)現通(tong)❌訊數(shu)據無(wu)差錯(cuo)傳送(song)。與協(xie)議相(xiang)關的(de)數🈲據(ju)傳輸(shu)是以(yi)幀的(de)形式(shi)實現(xian)的。幀(zhen)是用(yong)戶控(kong)👅制和(he)尋址(zhi)🌈信息(xi)對用(yong)戶數(shu)據的(de)封裝(zhuang)，隻有(you)幀中(zhong)的字(zi)節記(ji)數結(jie)束且(qie)經過(guo)了差(cha)錯檢(jian)驗🧑🏾‍🤝‍🧑🏼接(jie)收正(zheng)确無(wu)誤或(huo)是物(wu)理層(ceng)通知(zhi)♍信号(hao)傳輸(shu)終止(zhi)(如檢(jian)測不(bu)到載(zai)波)之(zhi)後才(cai)可以(yi)進行(hang)幀的(de)識别(bie)。
　　在數(shu)據鏈(lian)路層(ceng)中的(de)HART協議(yi)是--種(zhong)“主1從(cong)”協議(yi)。在從(cong)設備(bei)的應(ying)答消(xiao)🌂息🔅中(zhong)除了(le)已被(bei)接收(shou)的确(que)認命(ming)令，許(xu)多消(xiao)♍息中(zhong)還包(bao)含了(le)主設(she)備詢(xun)問的(de)數據(ju)。HART協議(yi)允許(xu)系統(tong)⭐中同(tong)時有(you)兩個(ge)主設(she)備運(yun)行，一(yi)個基(ji)本主(zhu)設備(bei)，一個(ge)副主(zhu)設備(bei)。從設(she)備根(gen)據兩(liang)個主(zhu)👅設備(bei)不同(tong)的地(di)址來(lai)向它(ta)們分(fen)發各(ge)自的(de)應答(da)命令(ling)消息(xi)。
3.應用(yong)層規(gui)範
　　規(gui)定了(le)HART消息(xi)包中(zhong)的3類(lei)命令(ling)，第一(yi)類是(shi)通用(yong)命令(ling),适🌍用(yong)于遵(zun)🚩守HART協(xie)議的(de)所有(you)産品(pin)，爲符(fu)合HART協(xie)議的(de)設備(bei)提供(gong)功能(neng)描🈲述(shu);第二(er)類♉是(shi)普通(tong)操作(zuo)命令(ling),适用(yong)于遵(zun)守HART協(xie)議的(de)大部(bu)分産(chan)品;第(di)三類(lei)是💋設(she)備特(te)殊命(ming)令,适(shi)用于(yu)遵守(shou)HART協議(yi)的特(te)殊産(chan)品。
三(san)、基于(yu)HART協議(yi)的智(zhi)能電(dian)磁流(liu)量計(ji)的通(tong)訊模(mo)塊設(she)計✍️
　　帶(dai)有HART通(tong)訊協(xie)議的(de)智能(neng)電磁(ci)流量(liang)計的(de)硬件(jian)系統(tong)電路(lu)采用(yong)模塊(kuai)化設(she)計，主(zhu)要包(bao)括傳(chuan)感器(qi)模塊(kuai)，MCU模塊(kuai)、HART通訊(xun)模塊(kuai)和人(ren)機界(jie)面模(mo)塊四(si)個部(bu)分。
　　由(you)單片(pian)機控(kong)制的(de)低頻(pin)勵磁(ci)電流(liu)輸出(chu)到傳(chuan)感器(qi)的勵(li)磁線(xian)♊圈中(zhong)，同時(shi)來自(zi)電磁(ci)流量(liang)傳感(gan)器的(de)微小(xiao)電勢(shi)信✊号(hao)經⭐前(qian)置放(fang)大後(hou)通🥵過(guo)AD模數(shu)轉換(huan)電路(lu)送入(ru)到單(dan)片機(ji)☂️。單片(pian)機對(dui)這些(xie)信号(hao)進行(hang)數據(ju)采集(ji)，分析(xi)處🈲理(li)送至(zhi)液晶(jing)顯示(shi)屏進(jin)行瞬(shun)時🍓流(liu)量和(he)累積(ji)流量(liang)的🔞顯(xian)示。同(tong)時單(dan)片機(ji)通過(guo)計算(suan)公式(shi)對得(de)到的(de)流量(liang)值進(jin)行補(bu)償，将(jiang)補償(chang)後的(de)流量(liang)信号(hao)通過(guo)HART通訊(xun)模塊(kuai)實現(xian)與上(shang)位機(ji)的遠(yuan)程通(tong)訊。本(ben)文隻(zhi)介紹(shao)HART通訊(xun)模塊(kuai)設計(ji):
　　HT2012芯片(pian)用來(lai)實現(xian)HART協議(yi)中通(tong)訊信(xin)号的(de)解調(diao)及調(diao)制過(guo)程。HART信(xin)号的(de)解調(diao)過程(cheng):由帶(dai)通濾(lü)波器(qi)輸出(chu)的脈(mo)沖信(xin)号進(jin)入HT2012後(hou)，調制(zhi)解調(diao)器分(fen)别将(jiang)脈沖(chong)信号(hao)中的(de)1200Hz和2200Hz解(jie)調爲(wei)數字(zi)1和0，再(zai)将數(shu)字信(xin)号由(you)HT2012的ORXD端(duan)口輸(shu)出，微(wei)處理(li)器(CPU)對(dui)接收(shou)到的(de)數據(ju)進行(hang)判斷(duan)并執(zhi)行相(xiang)應的(de)任務(wu)。
　　HART數字(zi)信号(hao)規範(fan)是峰(feng)值爲(wei)1mA、平均(jun)值爲(wei)0mA正弦(xian)交流(liu)電流(liu)信号(hao)，此🥵信(xin)号經(jing)線路(lu)阻抗(kang)轉化(hua)爲正(zheng)弦交(jiao)流電(dian)壓信(xin)号，而(er)HT2012輸入(ru)🍉和輸(shu)出信(xin)号是(shi)⛱️0~5V的方(fang)波信(xin)号，因(yin)此在(zai)HT2012和外(wai)部的(de)HART信✔️号(hao)之間(jian)還需(xu)要有(you)濾波(bo)電路(lu)和整(zheng)形電(dian)路。
　　由(you)TLC27組成(cheng)的濾(lü)波器(qi)是帶(dai)通濾(lü)波器(qi)，用來(lai)減少(shao)接收(shou)信号(hao)的噪(zao)聲幹(gan)擾。濾(lü)波器(qi)還用(yong)來消(xiao)除波(bo)形中(zhong)的尖(jian)峰⛷️，從(cong)而使(shi)接收(shou)到的(de)信号(hao)變得(de)平緩(huan)。TLC37組成(cheng)的數(shu)字方(fang)波産(chan)生回(hui)路把(ba)經💋過(guo)TLC27濾波(bo)後的(de)正弦(xian)波轉(zhuan)變成(cheng)相應(ying)的方(fang)波，以(yi)便于(yu)HT2012接收(shou)。
　　緩沖(chong)器74HC126的(de)作用(yong)是使(shi)方波(bo)的上(shang)升沿(yan)和下(xia)降沿(yan)趨于(yu)平緩(huan),使信(xin)号滿(man)足HART物(wu)理層(ceng)規範(fan)所要(yao)求的(de)信号(hao)波形(xing)上升(sheng)沿和(he)下沿(yan)的時(shi)要求(qiu)，因爲(wei)較平(ping)級的(de)上升(sheng)沿和(he)下降(jiang)沿👅時(shi)間可(ke)以降(jiang)低與(yu)其它(ta)網絡(luo)間的(de)串擾(rao)。HT2012需要(yao)外部(bu)提供(gong)460.8kHz的時(shi)鍾信(xin)号，且(qie)要求(qiu)時鍾(zhong)頻率(lü)的誤(wu)差是(shi)土0.1%，若(ruo)直接(jie)輸入(ru)一個(ge)460.8kHz的晶(jing)振不(bu)僅會(hui)引起(qi)系統(tong)功耗(hao)的增(zeng)加，而(er)且該(gai)晶振(zhen)屬于(yu)非标(biao)準晶(jing)振，需(xu)專門(men)定制(zhi)。爲了(le)解決(jue)這一(yi)-問題(ti)，在系(xi)統中(zhong)采用(yong)一片(pian)1.8432MHz的晶(jing)振以(yi)産生(sheng)時鍾(zhong)信号(hao)，再經(jing)💋分頻(pin)器CD4013進(jin)行4分(fen)頗，可(ke)📞輸出(chu)1.8432MHz/4=460.8kHz的分(fen)頻信(xin)号供(gong)HT2012使用(yong)。
　　AD421其内(nei)部的(de)電壓(ya)調節(jie)器與(yu)外部(bu)的場(chang)效應(ying)管DN25D對(dui)輸入(ru)到AD421的(de)電壓(ya)👣進🔴行(hang)調整(zheng)，可提(ti)供+3.3V電(dian)壓作(zuo)爲其(qi)他設(she)備的(de)電源(yuan)。HART發出(chu)㊙️的FSK信(xin)号，經(jing)過-一(yi)😄個電(dian)容耦(ou)合送(song)到AD421中(zhong)，轉換(huan)‼️成相(xiang)應的(de)土0.5mA正(zheng)弦電(dian)流信(xin)号，實(shi)✉️現電(dian)壓✔️信(xin)号到(dao)電流(liu)信号(hao)的轉(zhuan)換，同(tong)時，疊(die)加在(zai)4~20mA的電(dian)流上(shang)送給(gei)👉接收(shou)設備(bei)，實現(xian)了HART協(xie)議的(de)信息(xi)的交(jiao)換。本(ben)電路(lu)耦合(he)電容(rong)取爲(wei)0.0033μF。
四、HART通(tong)訊協(xie)議的(de)軟件(jian)實現(xian)
1.智能(neng)電磁(ci)流量(liang)計串(chuan)口中(zhong)斷程(cheng)序
　　在(zai)串行(hang)口中(zhong)斷服(fu)務程(cheng)序中(zhong)，首先(xian)保護(hu)現場(chang)，然後(hou)判斷(duan)是接(jie)收中(zhong)斷還(hai)是發(fa)送中(zhong)斷，若(ruo)爲接(jie)收中(zhong)斷則(ze)執行(hang)接收(shou)服務(wu)子程(cheng)序，否(fou)則執(zhi)行發(fa)送服(fu)務子(zi)程序(xu)。中斷(duan)處理(li)結束(shu)後，恢(hui)複現(xian)場幷(bing)返回(hui)系統(tong)主程(cheng)序。HART通(tong)信采(cai)用水(shui)平和(he)垂直(zhi)校驗(yan)的方(fang)法。當(dang)檢測(ce)到接(jie)收數(shu)據有(you)差錯(cuo)時，則(ze)等到(dao)主設(she)備命(ming)令幀(zhen)發完(wan)後，通(tong)知主(zhu)設備(bei)數據(ju)接收(shou)有誤(wu)。主設(she)備則(ze)重新(xin)發命(ming)令幀(zhen)，從而(er)保證(zheng)通信(xin)可靠(kao)。
　　在對(dui)命令(ling)幀響(xiang)應之(zhi)前先(xian)要将(jiang)該幀(zhen)拆分(fen)，即首(shou)先判(pan)斷該(gai)幀前(qian)導碼(ma)是否(fou)正确(que)，每接(jie)收一(yi)個前(qian)導碼(ma)，計數(shu)器加(jia)1,再接(jie)收定(ding)界符(fu)，若爲(wei)有效(xiao)的定(ding)界符(fu)且前(qian)導碼(ma)計數(shu)器大(da)于1,則(ze)爲HART幀(zhen)的起(qi)始位(wei)置，根(gen)據定(ding)界符(fu)确定(ding)HART幀的(de)類型(xing)，若爲(wei)應答(da)幀或(huo)成組(zu)模式(shi)幀則(ze)終止(zhi)接收(shou)服務(wu)，等待(dai)載波(bo)結束(shu);若爲(wei)請求(qiu)幀，則(ze)确定(ding)幀格(ge)式，設(she)置接(jie)收長(zhang)幀格(ge)式或(huo)短幀(zhen)格式(shi)地址(zhi)計數(shu)值，短(duan)幀格(ge)式地(di)址接(jie)收1個(ge)字節(jie),長幀(zhen)格式(shi)地址(zhi)接收(shou)5個字(zi)節。再(zai)接收(shou)命令(ling)号,數(shu)據字(zi)節長(zhang)度字(zi)節，若(ruo)數據(ju)字節(jie)長度(du)字節(jie)出現(xian)奇偶(ou)校驗(yan)錯誤(wu)則終(zhong)止接(jie)收服(fu)務，等(deng)待載(zai)波結(jie)束;否(fou)則設(she)置數(shu)據字(zi)節長(zhang)度計(ji)數器(qi)，每接(jie)收-一(yi)個數(shu)據字(zi)節，長(zhang)度計(ji)數器(qi)減1,最(zui)後接(jie)收水(shui)平校(xiao)驗和(he)。若接(jie)收請(qing)求地(di)址匹(pi)配，對(dui)接收(shou)的HART幀(zhen)異或(huo)求水(shui)平校(xiao)驗和(he)，并與(yu)接收(shou)水平(ping)校驗(yan)和進(jin)行比(bi)較，相(xiang)同則(ze)表示(shi)無通(tong)訊錯(cuo)誤，否(fou)則置(zhi)水平(ping)校驗(yan)和錯(cuo)誤标(biao)志爲(wei)1,結束(shu)接收(shou)服務(wu)并轉(zhuan)入HART命(ming)令執(zhi)行子(zi)程序(xu)。
五、結(jie)論
　　對(dui)研制(zhi)的智(zhi)能電(dian)磁流(liu)量計(ji)進行(hang)試驗(yan)表明(ming):該流(liu)量🥵計(ji)集成(cheng)化程(cheng)度高(gao)、功能(neng)強、操(cao)作方(fang)便、性(xing)能可(ke)靠;具(ju)有❌自(zi)診🏃‍♀️斷(duan)、自檢(jian)定功(gong)能和(he)HART數💋據(ju)通訊(xun)功能(neng);可測(ce)正反(fan)兩個(ge)方向(xiang)流量(liang)，也可(ke)測脈(mo)動流(liu)量;抗(kang)電磁(ci)幹擾(rao)和溫(wen)度性(xing)能好(hao)，适合(he)于現(xian)場測(ce)量和(he)顯示(shi);測量(liang)範圍(wei)大,精(jing)度高(gao)。

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