摘要(yao):HART,即HighwayAddresableRemoteTransducer,是可(ke)尋址遠(yuan)程傳感(gǎn)器高速(sù)公路的(de)簡稱，其(qi)特點是(shi)在不幹(gan)擾4~20mA模拟(nǐ)信号的(de)同時允(yun)許雙向(xiang)數字通(tong)訊。本文(wen)從兩🔞方(fang)面讨論(lùn)基于HART協(xie)議智能(néng)電磁流(liu)量✍️計具(ju)體實現(xian)的技術(shu)問題，一(yī)是要解(jiě)決硬件(jiàn)電路的(de)設計問(wèn)題，二是(shì)要讨🔞論(lun)實現HART協(xié)議命令(ling)集編程(chéng)及上位(wei)機軟件(jiàn)的實現(xian)。智能電(diàn)磁流量(liàng)計設計(ji)應用HART協(xié)議
一、前(qian)言
　　符合(hé)HART協議的(de)智能電(diàn)磁流量(liàng)計 不僅(jǐn)可以實(shí)現各種(zhǒng)流量的(de)檢測和(he)就地顯(xian)示，還可(kě)以通❓過(guo)上位🐅計(jì)進行遠(yuan)程設定(ding)，改變流(liu)量計的(de)零點、量(liàng)程，以及(jí)🥵完成自(zi)診斷等(deng)功能，因(yīn)此在流(liú)量計的(de)使用和(hé)維護中(zhong)更加方(fāng)便。
二、HART協(xie)議簡介(jiè)
　　HART協議遵(zun)循ISO制訂(ding)的OS1開放(fàng)式系統(tǒng)互連參(can)考模型(xing)，采用了(le)OSI模型的(de)第--層、第(di)二層和(he)第七層(céng)，即物理(lǐ)層、數據(jù)鏈路層(ceng)和應用(yong)層。
1.物理(lǐ)層規範(fan)
　　HART協議采(cǎi)用美國(guó)電話通(tōng)訊系統(tong)Bel1202頻移鍵(jian)控(FSK)标準(zhun)，在4~20mA的模(mó)拟士0.5mA的(de)正弦波(bo)，波特率(lǜ)是1200bps.因爲(wèi)所疊加(jiā)的正弦(xián)信号平(píng)均值爲(wèi)0,而且相(xiàng)位連續(xu)頻移鍵(jiàn)控技術(shu)要求在(zài)波特率(lǜ)爲1200Hz的數(shu)據位1和(hé)0的邊界(jie)的相位(wei)角是連(lian)續的，所(suo)以數字(zi)通訊信(xin)号✏️不會(huì)影響4~20mA的(de)模拟信(xin)🔅号。
2.數據(jù)鏈路層(ceng)規範
　　這(zhe)一部分(fèn)協議規(gui)定了HART幀(zhen)的格式(shì)，實現建(jian)立、維護(hu)、數據🏃鏈(lian)路通🤩訊(xùn)功能，HART協(xie)議根據(jù)冗餘檢(jian)錯碼信(xin)息，通過(guò)🔴差錯檢(jiǎn)測機制(zhi)和采💞用(yong)自動重(zhòng)發請求(qiú)協議(ARQ),實(shí)現通訊(xùn)數據無(wu)差錯傳(chuán)送。與協(xie)議相關(guān)的數據(jù)傳輸是(shì)以幀的(de)形式🔞實(shi)現的。幀(zhen)✊是用戶(hu)控制和(he)尋址💋信(xin)息對用(yong)戶數據(ju)的封裝(zhuāng)，隻有幀(zhēn)中的字(zi)節記數(shu)結束且(qie)經過🈲了(le)差錯檢(jiǎn)驗接收(shou)正确無(wú)誤或是(shi)物理層(céng)通知信(xin)号🙇‍♀️傳輸(shū)終止(如(ru)檢測不(bu)到載波(bō))之後才(cái)可以進(jin)行幀的(de)識别。
　　在(zài)數據鏈(lian)路層中(zhong)的HART協議(yi)是--種“主(zhǔ)1從”協議(yì)。在從設(shè)備的應(yīng)答消息(xī)✌️中除了(le)已被接(jiē)收的确(què)認命令(ling)，許多消(xiāo)息中還(hái)包含了(le)主設備(bei)詢問的(de)數據。HART協(xié)議允許(xu)系統中(zhong)同時有(you)兩個主(zhu)設備運(yùn)行，一個(ge)基本主(zhǔ)設備，一(yī)個副主(zhu)設備。從(cóng)設備根(gēn)據兩個(gè)主設備(bei)不同的(de)地址來(lái)向它們(men)分發🐉各(ge)自的應(ying)答命令(ling)消息。
3.應(ying)用層規(guī)範
　　規定(ding)了HART消息(xī)包中的(de)3類命令(lìng)，第一類(lei)是通用(yòng)命令,适(shì)用于遵(zūn)守HART協議(yì)的所有(you)産品，爲(wei)符合HART協(xié)議的設(shè)備提🔅供(gòng)功能描(miáo)述;第二(er)類是普(pǔ)通操作(zuò)命令,适(shi)用于遵(zun)守HART協議(yì)的大部(bù)分産品(pǐn);第三類(lei)是設備(bei)特殊命(ming)令,适用(yòng)于遵守(shou)HART協‼️議的(de)特殊産(chan)品。
三、基(jī)于HART協議(yi)的智能(néng)電磁流(liú)量計的(de)通訊模(mo)塊設計(ji)
　　帶有HART通(tōng)訊協議(yì)的智能(néng)電磁流(liu)量計的(de)硬件系(xi)統電路(lu)采用模(mo)塊化設(shè)計，主要(yao)包括傳(chuan)感器模(mo)塊，MCU模塊(kuài)、HART通訊模(mó)塊和人(rén)機界面(mian)模塊💞四(si)個部分(fen)。
　　由單片(piàn)機控制(zhi)的低頻(pin)勵磁電(diàn)流輸出(chū)到傳感(gan)器的勵(li)磁線🔴圈(quān)中，同時(shí)來自電(diàn)磁流量(liàng)傳感器(qì)的微小(xiǎo)電勢信(xìn)号經🐅前(qian)置放大(dà)後通過(guò)AD模數轉(zhuǎn)換電路(lù)送入到(dao)單片機(jī)。單片機(ji)對這些(xie)信号進(jìn)行數據(jù)采集，分(fèn)析處理(lǐ)送至液(yè)晶顯示(shi)屏🙇🏻進行(hang)瞬時🔴流(liú)量和累(lei)🐪積流量(liang)的顯示(shi)。同時單(dan)🔴片機通(tōng)過計😘算(suan)公式對(dui)得💋到的(de)流量值(zhí)進行補(bǔ)償，将補(bu)💰償後的(de)流量信(xìn)号通過(guò)HART通訊模(mo)塊實現(xian)與上位(wei)機的遠(yuǎn)程通訊(xun)。本文隻(zhi)介紹HART通(tong)訊模塊(kuai)設計:
　　HT2012芯(xīn)片用來(lái)實現HART協(xié)議中通(tōng)訊信号(hào)的解調(diào)及調制(zhì)過程。HART信(xìn)号的解(jiě)🏃🏻調過程(chéng):由帶通(tōng)濾波器(qì)輸出的(de)脈沖信(xìn)号進入(rù)HT2012後，調制(zhì)解調器(qi)分别将(jiang)脈沖信(xìn)号中的(de)1200Hz和2200Hz解調(diao)爲數字(zì)1和0，再将(jiāng)數字🔅信(xin)号由🔴HT2012的(de)ORXD端口輸(shū)出，微處(chu)理㊙️器(CPU)對(duì)接收到(dao)的數據(ju)進行判(pan)斷并執(zhí)行相應(ying)的任務(wu)。
　　HART數字信(xin)号規範(fan)是峰值(zhí)爲1mA、平均(jun1)值爲0mA正(zhèng)弦交流(liú)電流信(xìn)号，此信(xin)号㊙️經線(xian)路阻抗(kàng)轉化爲(wei)正弦交(jiao)流電壓(ya)信号，而(er)HT2012輸入和(he)輸出信(xìn)号是0~5V的(de)方波信(xìn)号，因此(ci)在HT2012和外(wài)部的HART信(xin)✉️号之間(jian)還需要(yao)有濾波(bo)電路和(he)整形電(diàn)路。
　　由TLC27組(zu)成的濾(lü)波器是(shì)帶通濾(lü)波器，用(yong)來減少(shǎo)接收信(xin)号的噪(zao)聲幹擾(rǎo)。濾波器(qi)還用來(lái)消除波(bō)形中的(de)尖峰，從(cong)而使接(jiē)收到的(de)信号變(biàn)得平緩(huǎn)。TLC37組成的(de)數字方(fang)波産生(sheng)回路把(bǎ)經過TLC27濾(lǜ)波後的(de)正弦波(bō)轉變成(chéng)相應的(de)方波，以(yǐ)便⭐于HT2012接(jiē)收。
　　緩沖(chong)器74HC126的作(zuò)用是使(shi)方波的(de)上升沿(yan)和下降(jiàng)沿趨于(yu)平緩,使(shi)信号滿(mǎn)足HART物理(li)層規範(fan)所要求(qiu)的信号(hào)波形上(shang)升沿和(he)🌈下沿📱的(de)時😄要求(qiu)，因爲較(jiao)平級的(de)上升沿(yan)和下降(jiang)沿時間(jian)可以降(jiang)低㊙️與其(qí)它🏃🏻‍♂️網絡(luo)間的串(chuàn)擾。HT2012需要(yao)外部提(tí)供460.8kHz的時(shi)鍾信号(hao)，且要求(qiú)時鍾頻(pin)率的誤(wu)差是土(tu)0.1%，若直接(jie)輸入一(yi)個460.8kHz的晶(jīng)振不僅(jǐn)會引起(qǐ)系統功(gong)耗👌的增(zēng)加，而且(qiě)該晶振(zhen)屬于非(fei)标準晶(jing)振，需專(zhuan)門🈲定制(zhi)。爲了解(jiě)決🙇🏻這一(yī)-問☀️題，在(zai)系統中(zhōng)采用一(yi)片1.8432MHz的晶(jing)振以産(chan)生時鍾(zhong)信号，再(zai)經分頻(pín)器CD4013進行(háng)4分頗，可(kě)輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的(de)分頻信(xìn)号供HT2012使(shi)用。
　　AD421其内(nèi)部的電(diàn)壓調節(jie)器與外(wai)部的場(chang)效應管(guan)DN25D對輸入(rù)🌂到AD421的👈電(dian)壓進行(hang)調整，可(ke)提供+3.3V電(diàn)壓作爲(wei)其他設(shè)備的電(dian)源。HART發出(chū)的FSK信号(hào)，經過-一(yī)個電容(rong)耦合送(sòng)到AD421中，轉(zhuan)換成相(xiang)應的土(tu)0.5mA正弦電(dian)流信号(hao)，實現電(diàn)壓信号(hào)到電流(liú)信号的(de)轉換，同(tong)時，疊加(jiā)在4~20mA的電(dian)流上送(song)給接收(shou)設備，實(shí)現了HART協(xié)議的信(xin)息的交(jiāo)換。本電(dian)路耦合(he)電容取(qu)爲0.0033μF。
四、HART通(tong)訊協議(yi)的軟件(jiàn)實現
1.智(zhì)能電磁(ci)流量計(ji)串口中(zhong)斷程序(xu)
　　在串行(háng)口中斷(duan)服務程(chéng)序中，首(shǒu)先保護(hu)現場，然(rán)後判斷(duàn)是接收(shōu)中斷還(hái)是發送(sòng)中斷，若(ruò)爲接收(shōu)中斷則(ze)執行接(jie)收服務(wù)子程序(xu)，否則執(zhi)行發送(song)服務子(zǐ)程序。中(zhōng)斷處理(li)結束後(hou)，恢複現(xiàn)場幷返(fan)回系統(tong)主程序(xu)。HART通信采(cǎi)用水平(píng)和垂直(zhí)校驗的(de)方法。當(dang)檢測到(dao)接收數(shù)據有差(chà)錯時，則(zé)等到主(zhǔ)設備命(mìng)令幀發(fa)完後，通(tong)知主設(she)備數據(jù)接收有(yǒu)誤。主設(shè)備則重(zhòng)新發命(mìng)令幀，從(cong)而保證(zheng)通信可(ke)靠。
　　在對(duì)命令幀(zhen)響應之(zhi)前先要(yào)将該幀(zhēn)拆分，即(jí)首先判(pàn)斷該幀(zhen)前導碼(mǎ)是否正(zhèng)确，每接(jiē)收一個(gè)前導碼(mǎ)，計數器(qi)加1,再接(jiē)收定界(jiè)符，若爲(wèi)有效的(de)定界符(fú)且前導(dǎo)碼計數(shù)器大于(yú)1,則爲HART幀(zhēn)的起始(shǐ)位置，根(gen)據定界(jiè)符确定(dìng)HART幀的類(lei)型，若爲(wei)應答幀(zhēn)或成組(zu)模式幀(zhen)則終止(zhǐ)接收服(fu)務，等待(dai)載波結(jié)束;若爲(wei)請求幀(zhēn)，則确定(ding)幀格式(shi)，設置接(jiē)收長幀(zhēn)格式或(huo)短幀格(gé)式地址(zhǐ)計數值(zhí)，短幀格(gé)式地址(zhǐ)接收1個(gè)字節,長(zhǎng)幀格式(shì)地址接(jiē)收5個字(zi)節。再接(jie)收命令(lìng)号,數據(ju)字節長(zhang)度字節(jie)，若數據(jù)字節長(zhang)度字節(jiē)出現奇(qí)偶校驗(yàn)錯誤則(ze)終止接(jiē)收服務(wu)，等待載(zai)波結束(shu);否則設(shè)置數據(jù)字節長(zhǎng)度計數(shu)器，每接(jiē)收-一個(gè)數據字(zì)節，長度(du)計數器(qi)減1,最後(hòu)接收水(shui)平校驗(yàn)和。若接(jiē)收請求(qiu)地址匹(pi)配，對接(jiē)收的HART幀(zhen)異或求(qiu)水平校(xiào)驗和，并(bìng)與接收(shōu)水平校(xiào)驗和進(jin)行比較(jiao)，相同則(ze)表示無(wu)通訊錯(cuo)誤，否則(zé)置水平(ping)校驗和(he)錯誤标(biao)志爲1,結(jie)束接收(shōu)服務并(bìng)轉入HART命(ming)令執行(hang)子程序(xù)。
五、結論(lùn)
　　對研制(zhi)的智能(néng)電磁流(liu)量計進(jìn)行試驗(yàn)表明:該(gāi)流量計(ji)☂️集成化(hua)程度高(gao)、功能強(qiang)、操作方(fāng)便、性能(néng)可靠;具(jù)有♈自診(zhěn)斷、自檢(jian)定💃功能(neng)🌈和HART數據(ju)通訊功(gōng)能;可測(cè)正反兩(liang)個方向(xiang)流量，也(yě)可測脈(mò)動流量(liang);抗電磁(cí)幹擾和(he)溫度⭐性(xing)能好，适(shi)合于現(xiàn)場測量(liang)和顯示(shi);測量範(fàn)圍大,精(jīng)度高。

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