摘要:現(xian)場總線控(kong)制系統代(dai)表了工業(ye)控制系統(tong)向分散化(hua)、網絡化、智(zhi)能化發展(zhan)的方向.爲(wei)構建現場(chang)總線型工(gong)業測控🌈系(xi)統,要求🔞系(xi)統中所有(you)儀表都應(ying)具👣有現場(chang)總線功能(neng).其中,HART總線(xian)技術在電(dian)磁流量儀(yi)表中應用(yong)最爲廣泛(fan),本文在對(dui)HART協議進行(hang)詳細分析(xi)的基礎上(shang),重點介紹(shao)了系統設(she)計結構以(yi)及HART協議在(zai)智能電磁(ci)流量計 中(zhong)的軟硬件(jian)實.現方法(fa).測試結果(guo)表明,該設(she)計滿足現(xian)🛀🏻場實際要(yao)求,達到了(le)設計目的(de).
　　HART,即HighwayAddressableRemoteTransdueer是可尋(xun)址遠程傳(chuan)感器高速(su)公路的簡(jian)稱,其特點(dian)是在不幹(gan)擾📧4~20mA模拟信(xin)号的同時(shi)允許雙向(xiang)數:字通訊(xun)💯.符合HART協議(yi)的智能電(dian)磁流量計(ji)不僅可以(yi)實現各種(zhong)流量的檢(jian)測和就地(di)顯✏️示,還可(ke)以通過上(shang)位機進行(hang)遠程設定(ding),改變流量(liang)🌂計的零點(dian).量程,以及(ji)🌈完成自診(zhen)✊斷等功能(neng),在🌈很大程(cheng)度上方便(bian)了流量計(ji)的使用和(he)🔴維護,因而(er)具有較強(qiang)的市場競(jing)争力L-31.本文(wen)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(shi)要解決硬(ying)件電路的(de)設計問題(ti),二是要讨(tao)論實現HART協(xie)議命令集(ji)編程及上(shang)位機軟件(jian)的實現.
1HART協(xie)議簡介
　　HART協(xie)議遵循ISO制(zhi)訂的OSI開放(fang)式系統互(hu)連參考模(mo)型,采用了(le)OSI模⛷️型的第(di)一層、第二(er)層和第七(qi)層,即物理(li)層、數據鏈(lian)路層和應(ying)用層.
1.1物理(li)層規範
　　HART協(xie)議采用美(mei)國電話通(tong)訊系統Bel202頻(pin).移鍵控(FSK)标(biao)準,在4~20mA的模(mo)拟Q5mA的正弦(xian)波,波特率(lü)是1200bps因爲所(suo)疊加的正(zheng)弦信号平(ping)均值爲0而(er)且相位連(lian)續🚶頻移鍵(jian)控技術要(yao)求在波特(te)率爲1200Hz的數(shu)據位1和0的(de)😘邊界的😘相(xiang)位角是連(lian)續的,所以(yi)數字通⚽訊(xun)信号不會(hui)影響4~20mA的模(mo)拟信号.
1.2數(shu)據鏈路層(ceng)規範
　　這一(yi)部分協議(yi)規定了HART幀(zhen)的格式,實(shi)現建立、維(wei)護、終結鏈(lian)路通訊功(gong)能,HART協議根(gen)據冗餘檢(jian)錯碼信息(xi),通過差錯(cuo)檢測機制(zhi)和采用自(zi)動重發請(qing)求協議(ARQ),實(shi)現通訊數(shu)據無差錯(cuo)傳送.
　　與協(xie)議相關的(de)實體間的(de)數據傳輸(shu)是以幀的(de)形式實🈚現(xian)的.幀是用(yong)戶控制和(he)尋址信息(xi)對用戶數(shu)據的❄️封裝(zhuang),隻有幀中(zhong)的字節記(ji)數結束且(qie)經過了差(cha)錯檢驗接(jie)收正确無(wu)🥰誤或是物(wu)理層通知(zhi)信号傳輸(shu)終止(如檢(jian)測不到載(zai)波)之後才(cai)可以進行(hang)幀的‼️識别(bie).HART幀的格式(shi)如圖1所🌏示(shi).
 
●PREAMBLE前導信号(hao):實際上是(shi)同步信号(hao),各通訊設(she)備可以據(ju)此略做調(diao)整,保證信(xin)息的同步(bu).
●DELM定界符:一(yi)個獨特的(de)或是最容(rong)易識别的(de)字符.最高(gao)位規定幀(zhen)的🔞尋址信(xin)息分爲長(zhang)格式或短(duan)格式,低3位(wei)定義了幀(zhen)的類型.
●ADDR地(di)址字節:包(bao)含了源地(di)址和目的(de)地址,最高(gao)位都用來(lai)表🚩示與該(gai)📐幀相關的(de)主設備的(de)地址.“1”表示(shi)基本主設(she)備;“0”表示副(fu)主設備.
●COM命(ming)令字節:表(biao)示現場儀(yi)表所要執(zhi)行的功能(neng),範圍爲255個(ge).
●BYTECORNT數據總長(zhang)度:該值表(biao)示的是BYTECORNT下(xia)一個字節(jie)到最後(不(bu)包括校驗(yan)字節)的字(zi)節數.
●DATA數據(ju)字節:傳送(song)用戶數據(ju)和響應數(shu)據,但不是(shi)每個幀中(zhong)都會包含(han)數據.
●CHK奇偶(ou)校驗:方式(shi)是縱向奇(qi)偶校驗.
　　在(zai)數據鏈路(lu)層中的HART協(xie)議是一種(zhong)“主從”協議(yi),即由主💘設(she)備産生消(xiao)息,而從設(she)備隻在接(jie)收到發送(song)給它的消(xiao)息後才做(zuo)出應答.在(zai)從設備的(de)應答消息(xi)中除了已(yi)被接🏒收的(de)确認命令(ling)🤞,許多消息(xi)中還包含(han)了主設備(bei)詢問的數(shu)據.HART協議允(yun)許系統中(zhong)同時有💁兩(liang)個主設🏃備(bei)運行,一個(ge)基本主設(she)備,一個副(fu)主設備.從(cong)設備根據(ju)兩個主設(she)備🚶不同的(de)地址來向(xiang)它們分發(fa)各自的⭐應(ying)答命令🌍消(xiao)息.
　　實際上(shang)在智能現(xian)場設備與(yu)中央控制(zhi)或監測設(she)備的👣信息(xi)往返通訊(xun),根據傳輸(shu)信号的不(bu)同,可以分(fen)爲✨以下3種(zhong)通訊模式(shi):模拟模式(shi)、模拟+數字(zi)模式和廣(guang)播☂️(全數字(zi))模式.
1.3應用(yong)層規範
　　HART協(xie)議中包含(han)三類命令(ling):第一類爲(wei)通用命令(ling)印l,适用♋于(yu)遵💚守😘HART協議(yi)的所有産(chan)品,符合HART協(xie)議的設備(bei)提供功🛀能(neng)描述;第二(er)類爲普通(tong)操作命令(ling),适用于遵(zun)守HART協議的(de)大部分産(chan)品,當設備(bei)具有某些(xie)功能時,該(gai)命令用于(yu)對這些功(gong)能的描述(shu);第三類♊爲(wei)設備特殊(shu)命令,适用(yong)于遵守HART協(xie)議的特殊(shu)産品,提供(gong)一些特殊(shu)的功能描(miao)述命令.HART協(xie).議對于廠(chang)家生産的(de)具有特殊(shu)功能的産(chan)品還提供(gong)了設備描(miao)述語言DDL以(yi)确保互操(cao)作性.
2基于(yu)HART協議的智(zhi)能電磁流(liu)量計的硬(ying)件設計
　　帶(dai)有HART通訊協(xie)議的智能(neng)電磁流量(liang)計的硬件(jian)系統電路(lu)采用模塊(kuai)化設計,主(zhu)要包括傳(chuan)感器模塊(kuai)、MCU模塊.HART通訊(xun)模塊和人(ren)機界面🛀🏻模(mo)塊4個部分(fen).
　　由單片機(ji)控制的低(di)頻勵磁電(dian)流輸出到(dao)傳感器的(de)☂️勵磁線圈(quan)中,同時來(lai)自電磁流(liu)量傳感器(qi)的微小電(dian)勢信号經(jing)前置放大(da)後通過AD模(mo)數轉換電(dian)路送入到(dao)👄單片機.單(dan)片機對這(zhe)些信号進(jin)行數據采(cai)集,分析處(chu)理送至液(ye)晶顯示屏(ping)進行瞬時(shi)流量和累(lei)積流量的(de)🌈顯示.同時(shi)單片機通(tong)過計⭕算公(gong)式對得👅到(dao)的流量值(zhi)進行補償(chang),将補償後(hou)的流量信(xin)号通過HART通(tong)訊模塊實(shi)🐇現與上位(wei)機的遠程(cheng)通訊💔.
2.1HART通訊(xun)模塊設計(ji)
　　HT2012芯片用來(lai)實現HART協議(yi)中通訊信(xin)号的解調(diao)及調制過(guo)程.圖2爲🈲調(diao)制解調器(qi)與微處理(li)器的連接(jie).
 
　　HART信号的解(jie)調過程:由(you)帶通濾波(bo)器輸出的(de)脈沖信号(hao)進👈入HT2012後,調(diao)制⁉️解調器(qi)分别将脈(mo)沖信号中(zhong)的1200Hz和2200Hz解調(diao)爲數😘字1和(he)0再将數字(zi)㊙️信号由HT2012的(de)ORXD端口輸出(chu),CPU對接收到(dao)的數據進(jin)行判斷并(bing)執行相應(ying)的任務.
2.2HT2012與(yu)外部接口(kou).
　　HART數字信号(hao)規範是峰(feng)值爲1mA、平均(jun)值爲0mA正弦(xian)交流電流(liu)信号,此信(xin)号⭐經線路(lu)阻抗轉化(hua)爲正弦交(jiao)流電壓信(xin)🏃🏻‍♂️号,而🐅HT2012輸入(ru)和輸出信(xin)号是⁉️0~5V的方(fang)波信号,因(yin)此在HT2012和外(wai)部的HART信号(hao)之間還需(xu)要有濾波(bo)電路和整(zheng)形電路.
　　如(ru)圖3所示,由(you)TLC27組成的濾(lü)波器是帶(dai)通濾.波器(qi),用來減少(shao)接收信号(hao)的噪聲幹(gan)擾.濾波器(qi)還用來消(xiao)除波形中(zhong)的尖峰🔱,從(cong)而使接收(shou)到的信号(hao)變得平緩(huan).TLC37組成的數(shu)字方波産(chan)生回路把(ba)經過TLC27濾波(bo)後的正弦(xian)波轉變成(cheng)相應的方(fang)波,以便于(yu)HT2012接收.
 
　　如圖(tu)4所示,緩沖(chong)器74HC126的作用(yong)是使方波(bo)的.上升沿(yan)和下🐪降沿(yan)趨于平緩(huan),使信号滿(man)足HART物理層(ceng)規範所要(yao)求的🥵信号(hao)波形上升(sheng)沿和下沿(yan)的時要求(qiu),因爲較平(ping)緩的上升(sheng)沿和'下降(jiang)沿時間可(ke)以降✔️低與(yu)其它網絡(luo)間的串擾(rao).
 
　　HT2012需要外部(bu)提供4608kHz的時(shi)鍾信号,且(qie)要求時鍾(zhong)頻率的誤(wu)🌏差⭐是Q1%,若直(zhi)🐆接入一個(ge)4608kHz的晶振不(bu)僅會引起(qi)系統功耗(hao)🌍的增加,而(er)且該晶振(zhen)♊屬于🔅非标(biao)準晶振,需(xu)專門定制(zhi).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(ke)輸出1.8432MHz4=4608kHz的分(fen)頻信号供(gong)HT2012使用.
　　AD421其内(nei)部的電壓(ya)調節器與(yu)外部的場(chang)效應管DN25D對(dui)輸入到AD421的(de)電壓進行(hang)調整,可提(ti)供十33V電壓(ya)作爲其他(ta)設備的電(dian)源.HART發出的(de)FSK信号,經過(guo)一個電容(rong)耦合送到(dao)AD421中,轉㊙️換成(cheng)相應的0.5mA正(zheng)弦電流信(xin)号,實♊現電(dian)壓🤩信号到(dao)電流信号(hao)的轉換,同(tong)時,疊加在(zai)4~20mA的電流.上(shang)送給接收(shou)設備,實現(xian)了HART協議的(de)信息的交(jiao)換.本電路(lu)耦合電容(rong)取爲0.0033HE,如圖(tu)5所示.
 
3HART通訊(xun)協議的軟(ruan)件實現
3.1智(zhi)能電磁流(liu)量計串口(kou)中斷程序(xu)
　　在HART通信中(zhong),智能電磁(ci)流量計作(zuo)爲從設備(bei).進行通訊(xun),所以這裏(li)🈲的軟件設(she)計隻是針(zhen)對于從設(she)備.HART通信采(cai)用水平和(he)垂直校驗(yan)的方法.當(dang)檢測到接(jie)收數據有(you)差錯時,則(ze)等到主設(she)備命令幀(zhen)發完後,通(tong)知主設備(bei)數據接收(shou)有誤.主設(she)備則重新(xin)☔發命令幀(zhen),從而保證(zheng)🤞通信的正(zheng)确可靠.HART中(zhong)斷子程序(xu)流程圖如(ru)圖6所示.
　　由(you)于HART通信爲(wei)主從方式(shi),HART幀中每個(ge)字節在物(wu)理層傳輸(shu)需要9ms左右(you)🐕,爲了保證(zheng)通訊的實(shi)時性,通訊(xun)程序采📞用(yong)串♍行口終(zhong)端接收發(fa)送.該中斷(duan)所要完成(cheng)通信中的(de)主要任務(wu),即接收和(he)發送幀,幀(zhen)的拆分和(he)打包.
 
3.2上位(wei)機軟件數(shu)據采集程(cheng)序
1)形成讀(du)流量計長(zhang)幀地址命(ming)令字:5個FF前(qian)導碼;起始(shi)字符爲02(采(cai)用短幀格(ge)式時,主設(she)備向從設(she)備發送);地(di)址爲00(輪循(xun)地址);命令(ling)字是00(讀⭐變(bian)送器标識(shi)命令字節(jie)數);無數據(ju)💃
2)追加校驗(yan)和:采用異(yi)或邏輯運(yun)算求校驗(yan)和追加在(zai)字節數後(hou),形成完整(zheng)命令.
3)按異(yi)步串行通(tong)信方式發(fa)送命令并(bing)接收從設(she)備回答✊的(de)信息.
4)從回(hui)答的信息(xi)中提取流(liu)量計長幀(zhen)地址.
5)形成(cheng)讀流量計(ji)其他數據(ju)命令:5個FF前(qian)導碼;起始(shi)字符爲🐅82(采(cai)用長幀格(ge)式時,主設(she)備向從設(she)備發送);地(di)址爲👉流量(liang)計長🆚幀地(di)址;命令字(zi)、字節數和(he)數據略;采(cai)用異或邏(luo)輯✍️運算求(qiu)校驗和🔴,追(zhui)加在字節(jie)數後,形成(cheng)完整命令(ling).
4結論
　　對研(yan)制的智能(neng)電磁流量(liang)計進行試(shi)驗表明:該(gai)流.量計集(ji)♊成化📞程度(du)高、功能強(qiang)、操作方便(bian)、性能可靠(kao);具有🤩自診(zhen)斷、自檢定(ding)🌈功能和HART數(shu)據通訊功(gong)能;可測正(zheng)反兩個方(fang)向流量,也(ye)可測脈動(dong)流量;抗電(dian)磁幹擾和(he)溫度性能(neng)好,适合于(yu)現場測量(liang)和顯示;測(ce)量範圍大(da),精度高.

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