摘要:現場總(zong)線控制系統(tong)代表了工業(ye)控制系統向(xiang)分🔴散化、網✉️絡(luò)化、智能化發(fa)展的方向.爲(wei)構建現場總(zong)線型工業測(ce)控系統🙇‍♀️,要求(qiu)系統中所有(yǒu)儀表都應具(ju)有現場總線(xian)功能.其中,HART總(zong)線技🌈術在電(dian)磁流量儀表(biao)中應用最爲(wèi)廣泛,本🔅文在(zai)對HART協議進行(háng)詳細分析的(de)基礎上,重點(dian)介紹了系統(tǒng)設計結構以(yi)👈及HART協議在智(zhi)能電磁流量(liàng)計 中的軟硬(yìng)件實.現方法(fǎ).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(ji)HighwayAddressableRemoteTransdueer是可尋址遠(yuan)程傳感器高(gāo)速公路的簡(jiǎn)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(xiang)數:字通訊.符(fú)合HART協議的智(zhi)能電磁流👈量(liàng)計不僅可以(yi)實現各種流(liú)量的檢測和(hé)就地顯示,還(hai)可以通過上(shang)位機進行遠(yuan)程設定,改變(biàn)流量計的零(líng)點.量程,以及(ji)完成自診斷(duan)等功能,在很(hen)大程度上方(fang)便了流量計(ji)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(wen)讨論基于HART協(xie)議智能電磁(ci)流量計具🐇體(tǐ)實現的技術(shu)問題,一.是要(yào)解決硬件電(diàn)路的💞設計問(wen)題,二是要讨(tao)論實現HART協🎯議(yi)命令集💯編程(chéng)及上位機軟(ruǎn)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(mo)型的第一層(céng)、第二層和第(dì)七層,即物理(lǐ)層、數據😍鏈路(lu)層和應用層(ceng).
1.1物理層規範(fan)
　　HART協議采用美(mei)國電話通訊(xùn)系統Bel202頻.移鍵(jian)控(FSK)标準,在4~20mA的(de)模拟Q5mA的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻正弦(xián)波,波特率是(shì)1200bps因爲所疊加(jiā)的正弦信号(hao)平均值爲0而(er)且🔞相位連續(xu)頻移鍵控技(jì)術要求在波(bō)特率爲🥰1200Hz的數(shù)據位1和0的邊(bian)界的相位角(jiǎo)是連續的,所(suǒ)以數字通訊(xun)信号不會影(ying)響4~20mA的模拟信(xin)号.
1.2數據鏈路(lu)層規範
　　這一(yī)部分協議規(gui)定了HART幀的格(ge)式,實現建立(li)、維護、終結鏈(lian)⛹🏻‍♀️路通訊❗功能(néng),HART協議根據冗(rong)餘檢錯碼信(xìn)息,通過差錯(cuò)檢測機制和(hé)采用自動重(zhong)發請求協議(yì)(ARQ),實現通訊數(shu)據無差錯傳(chuán)送.
　　與協議相(xiàng)關的實體間(jian)的數據傳輸(shu)是以幀的形(xíng)式㊙️實現👉的.幀(zhēn)是用戶控制(zhì)和尋址信息(xī)對用戶數據(jù)的🌍封裝,隻有(you)幀中的字節(jiē)記數結束且(qiě)經過了差錯(cuò)檢驗接收正(zhèng)确無誤或是(shi)物理層通知(zhī)信号傳輸終(zhōng)止(如檢測不(bu)到載波)之後(hòu)才可以進行(hang)幀的識别.HART幀(zhēn)的格式如圖(tú)1所示.
 
●PREAMBLE前導信(xìn)号:實際上是(shì)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(ding)界符:一個獨(dú)特的或是最(zuì)容易識别的(de)字符.最高位(wèi)規🌈定幀的尋(xun)址信息分爲(wèi)長格式或短(duan)格式,低3位定(dìng)義了幀的類(lei)型.
●ADDR地址字節(jie):包含了源地(dì)址和目的地(di)址,最高位都(dōu)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(shi)副主設備.
●COM命(mìng)令字節:表示(shi)現場儀表所(suǒ)要執行的功(gōng)能,範圍爲🌍255個(ge).
●BYTECORNT數據總長度(du):該值表示的(de)是BYTECORNT下一個字(zì)節到最後(不(bú)包括🈲校驗字(zi)節)的字節數(shu).
●DATA數據字節:傳(chuan)送用戶數據(ju)和響應數據(ju),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(liàn)路層中的HART協(xie)議是一種“主(zhu)從”協議,即由(you)主🐅設🔞備産生(sheng)消🔱息,而從設(shè)備隻在接收(shōu)到發送給它(ta)的消息❌後才(cai)做出應答.在(zài)從📞設備的應(ying)答消息中除(chu)了已被接收(shou)的确認命令(lìng),許多消息中(zhong)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(zhǔ)設備運行,一(yī)個基本主設(she)備,一個副主(zhu)設備.從設備(bei)根據兩個主(zhǔ)設備不同的(de)地址來向它(tā)們分發各自(zì)的應答命令(lìng)消息.
　　實際上(shàng)在智能現場(chǎng)設備與中央(yāng)控制或監測(ce)設備💰的信息(xī)往返🐆通訊,根(gēn)據傳輸信号(hào)的不同,可以(yi)分爲以下3種(zhong)通訊模式:模(mo)拟模式、模拟(ni)+數字模式和(he)廣播(全數字(zì)㊙️)模式.
1.3應用層(ceng)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(shou)HART協議的所有(yǒu)産品,符合HART協(xié)議的設備提(ti)供功能描述(shù);第二類爲普(pǔ)通操作命令(ling),适用于遵守(shou)HART協議的大部(bù)分産品,當設(shè)備💜具有某些(xie)功能時,該命(ming)令用于對這(zhe)些功能的描(miáo)述;第三類⚽爲(wèi)設備特殊命(mìng)令,适用于遵(zūn)守HART協議的特(te)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(zuo)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(you)HART通訊協議的(de)智能電磁流(liú)量計的硬件(jiàn)系統電路采(cai)㊙️用🚩模💯塊💁化設(shè)計,主要包括(kuo)傳感器模塊(kuài)、MCU模塊.HART通訊模(mo)塊和🆚人機界(jie)面模塊4個部(bu)分.
　　由單片機(ji)控制的低頻(pín)勵磁電流輸(shū)出到傳感器(qi)的勵磁線圈(quān)中😘,同時來自(zi)電磁流量傳(chuan)感器的微小(xiǎo)電勢信号經(jīng)前置放大後(hòu)通過AD模數轉(zhuan)換電路送入(rù)到單片機.單(dan)片機🐕對這些(xie)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(liang)和累積流量(liàng)的☂️顯示.同時(shí)單片機通過(guo)計算公式對(duì)得到的流量(liang)值進行補償(cháng),将補償後的(de)流量信✨号通(tong)過HART通訊模塊(kuai)實❓現與上位(wei)📐機的遠程通(tōng)訊.
2.1HART通訊模塊(kuài)設計
　　HT2012芯片用(yòng)來實現HART協議(yì)中通訊信号(hao)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(hào)的解調過程(cheng):由帶通濾波(bō)器輸出的脈(mò)沖信号進👄入(rù)HT2012後🌈,調制解調(diào)器分别将脈(mò)沖信号中的(de)1200Hz和2200Hz解調爲數(shu)❌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(shu)據進行判斷(duàn)并執行相應(ying)的任務👈.
2.2HT2012與外(wai)部接口.
　　HART數字(zì)信号規範是(shi)峰值爲1mA、平均(jun1)值爲0mA正弦交(jiāo)流電流♋信号(hao)⁉️,此信号🔅經線(xiàn)路阻抗轉化(hua)爲正弦交流(liu)電壓信号,而(ér)HT2012輸入和輸出(chu)信号是0~5V的方(fāng)波信号,因此(ci)在HT2012和外🔞部的(de)HART信号之間還(hái)需要有濾波(bō)電路和整形(xíng)電路.
　　如圖3所(suǒ)示,由TLC27組成的(de)濾波器是帶(dài)通濾.波器,用(yòng)來減少接收(shōu)信号的噪聲(shēng)幹擾.濾波器(qì)還用來消除(chu)波形中的🚶尖(jian)峰⛱️,從而使接(jie)收到的信号(hào)變得平緩.TLC37組(zǔ)成的數字方(fang)波産生回路(lù)把⭕經過TLC27濾波(bo)後的正弦波(bo)轉變成相應(yīng)的方波,以便(biàn)于HT2012接收.
 
　　如圖(tu)4所示,緩沖器(qi)74HC126的作用是使(shǐ)方波的.上升(shēng)沿和下降😍沿(yan)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(wu)差是☁️Q1%,若直接(jie)入一個4608kHz的晶(jing)振不僅會引(yǐn)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(zhi)☁️.爲了解決這(zhe)一問題,在系(xì)統中采用一(yī)片1.8432MHz的晶振以(yi)産生時鍾信(xìn)号,再經分頻(pin)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(qì)與外部的場(chǎng)效應管DN25D對輸(shū)入到💜AD421的電壓(ya)進行調整,可(kě)提供十33V電壓(ya)作爲其他設(shè)備的電源.HART發(fa)出的FSK信号,經(jīng)過一個電容(rong)耦合送到AD421中(zhong),轉換成相應(ying)的0.5mA正弦電流(liú)信号,實現電(diàn)壓信号到電(dian)流🔱信号的轉(zhuǎn)換,同時,疊加(jiā)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(lù)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(zhì)能電磁流量(liàng)計串口中斷(duàn)程序
　　在HART通信(xin)中,智能電磁(ci)流量計作爲(wèi)從設備.進行(hang)通訊👨‍❤️‍👨,所以這(zhè)裏的軟件設(shè)計隻是針對(dui)于從設備.HART通(tōng)信采🙇‍♀️用水平(píng)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(jie)收有誤.主設(shè)備則重新發(fā)命令幀,從而(ér)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(suo)示.
　　由于HART通信(xin)爲主從方式(shi),HART幀中每個字(zi)節在物理層(ceng)傳🧑🏽‍🤝‍🧑🏻輸需要9ms左(zuǒ)右,爲了保證(zheng)通訊的實時(shí)性,通訊程序(xu)采用串行口(kǒu)終端接收發(fa)送.該中斷所(suo)要完成通信(xìn)中的主要任(rèn)務,即接收和(he)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(liú)量計長幀地(di)址命令字:5個(gè)FF前導碼;起始(shǐ)字符爲02(采用(yong)短幀格式時(shí),主設備向從(cóng)設備發送);地(di)址爲00(輪循地(dì)🌍址);命令字是(shì)00(讀💯變送器标(biao)識命令字節(jiē)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(shōu)從設備回答(dá)的信息.
4)從回(hui)答的信息中(zhong)提取流量計(ji)長幀地址.
5)形(xing)成讀流量計(jì)其他數據命(ming)令:5個FF前導碼(mǎ);起始字符爲(wèi)82(采用長幀格(gé)式時,主設備(bei)向從設備發(fa)送);地址爲流(liú)量計長幀地(dì)址;命令字、字(zì)節數和數據(ju)略;采用異或(huò)邏輯運算求(qiú)👨‍❤️‍👨校驗和,追加(jia)在字節數後(hou),形成完整命(mìng)令.
4結論
　　對研(yán)制的智能電(diàn)磁流量計進(jin)行試驗表明(míng):該流.量✊計集(ji)成化程度高(gao)、功能強、操作(zuò)方便、性能可(kě)靠;具有自診(zhen)斷、自檢定功(gōng)能和HART數據通(tong)訊功能;可測(ce)正反兩個方(fāng)向流量,也可(kě)測脈動流量(liang);抗電磁🈲幹擾(rǎo)和溫度✂️性能(néng)好,适合于現(xiàn)場測量和顯(xiǎn)示;測量範圍(wéi)大,精度💛高.

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