摘要(yao):HART,即HighwayAddresableRemoteTransducer,是可尋址遠(yuan)程傳感器高速(sù)公路的簡稱，其(qí)特點是在🐆不幹(gàn)擾4~20mA模拟信号的(de)同時允許雙向(xiàng)數字通訊。本文(wen)從兩方面讨論(lùn)基于HART協議智能(neng)電磁流量計具(ju)體實現的技術(shù)問題，一是🈲要解(jiě)決硬件電路的(de)設計問題，二是(shì)要讨✏️論實現HART協(xié)議命令集編程(chéng)及上‼️位機軟件(jian)的🚶實現。智能電(dian)磁流量計設計(jì)應用HART協議
一、前(qián)言
　　符合HART協議的(de)智能電磁流量(liang)計 不僅可以實(shí)現各種流量的(de)檢測和就地顯(xian)示，還可以🔴通✍️過(guo)👈上位計進行遠(yuǎn)程設定，改變流(liú)量計的零點、量(liang)程，以及完成自(zì)診斷等功能，因(yīn)此在流量計的(de)使用和維🌏護中(zhong)更🔞加方便。
二、HART協(xie)議簡介
　　HART協議遵(zun)循ISO制訂的OS1開放(fàng)式系統互連參(can)考模型，采用了(le)OSI模型的第--層、第(di)二層和第七層(ceng)，即物理層、數據(jù)鏈路層和應用(yòng)層。
1.物理層規範(fan)
　　HART協議采用美國(guo)電話通訊系統(tǒng)Bel1202頻移鍵控(FSK)标準(zhǔn)，在4~20mA的模拟士0.5mA的(de)正弦波，波特率(lü)是1200bps.因爲所疊加(jia)的正弦信号平(ping)均值爲0,而🧑🏾‍🤝‍🧑🏼且相(xiàng)位連續頻移鍵(jiàn)控技術要求在(zài)波特率爲1200Hz的數(shù)據位1和0的邊界(jie)的相位♋角是連(lián)續的，所以數字(zì)通訊信号不會(huì)影響💘4~20mA的模拟信(xin)号。
2.數據鏈路層(ceng)規範
　　這一部分(fèn)協議規定了HART幀(zhen)的格式，實現建(jiàn)立、維護、數據鏈(liàn)路通訊功能，HART協(xié)議根據冗餘檢(jiǎn)錯碼信息，通過(guo)差錯🌐檢測機制(zhi)💃🏻和采用自動重(zhòng)發請求協議(ARQ),實(shi)現通訊數據無(wú)差錯傳送。與協(xié)議相關的數據(ju)傳輸是以🚩幀的(de)形式實現的。幀(zhēn)是用戶控制和(hé)尋址信息對用(yong)戶數據的封裝(zhuang)，隻有幀中的字(zì)節記數結束且(qiě)經過♍了差錯檢(jiǎn)驗接❤️收正确無(wu)誤或是物理層(ceng)通知🚶‍♀️信号👈傳輸(shu)終止(如檢測不(bú)到載波)之後才(cái)可以進行幀的(de)識别。
　　在數據鏈(liàn)路層中的HART協議(yi)是--種“主1從”協議(yì)。在從設備的應(ying)答消息✉️中除了(le)已被接收的确(que)認命令，許多消(xiāo)息中☁️還包含了(le)主設備詢問的(de)數據。HART協議允許(xu)系統中同時有(yǒu)兩個主設備💛運(yun)行，一個基本♍主(zhu)設備，一個副主(zhǔ)設備。從設備根(gen)據兩個主設備(bèi)不同的地址來(lai)📐向它們分發各(ge)自的應答⛹🏻‍♀️命令(lìng)消息。
3.應用層規(guī)範
　　規定了HART消息(xī)包中的3類命令(lìng)，第一類是通用(yong)命令,适❄️用🙇🏻于遵(zūn)♉守✂️HART協議的所有(yǒu)産品，爲符合HART協(xié)議的設備提供(gong)功能描述;第二(èr)類是普通操作(zuo)命令,适用于遵(zūn)守HART協議的☂️大部(bu)分産品;第三類(lei)是✔️設備特🏃‍♂️殊命(ming)令,适用于遵守(shou)HART協議的特殊産(chan)品。
三、基于HART協議(yì)的智能電磁流(liú)量計的通訊模(mó)塊設計
　　帶有HART通(tong)訊協議的智能(néng)電磁流量計的(de)硬件系統電路(lu)采🔴用模❓塊化設(she)計，主要包括傳(chuan)感器模塊，MCU模塊(kuai)、HART通訊模塊和人(rén)機界面模塊四(sì)個部分。
　　由單片(piàn)機控制的低頻(pin)勵磁電流輸出(chu)到傳感器的勵(lì)磁線圈中，同時(shi)來自電磁流量(liàng)傳感器的微小(xiao)電勢信号經🌈前(qián)置放大後通過(guò)AD模數轉換電路(lu)送入到單片機(ji)。單片機對這些(xie)信号進行數據(ju)采集，分析處理(lǐ)送至液晶顯示(shì)屏🧑🏽‍🤝‍🧑🏻進行瞬時流(liú)量和累積流量(liàng)的顯示。同時單(dān)片機通過計算(suàn)公式對得到的(de)流量值進行補(bǔ)償，将補償後的(de)流量信号通過(guò)HART通訊模塊實現(xiàn)與上位機的遠(yuan)程通訊。本文隻(zhi)介紹HART通訊模塊(kuài)設計:
　　HT2012芯片用來(lái)實現HART協議中通(tōng)訊信号的解調(diào)及調制過程㊙️。HART信(xin)☀️号的📧解調過程(chéng):由帶通濾波器(qì)輸出的脈沖信(xìn)号進入HT2012後，調制(zhi)解調器分别将(jiang)脈沖信号中的(de)1200Hz和2200Hz解調爲數字(zi)1和0，再将數字信(xin)号由HT2012的ORXD端口輸(shu)出，微處理器(CPU)對(dui)接收到的數據(ju)進行判斷✉️并執(zhi)行相應的任務(wu)。
　　HART數字信号規範(fan)是峰值爲1mA、平均(jun)值爲0mA正弦交流(liú)電流信号，此信(xìn)号經線路阻抗(kang)轉化爲正弦交(jiao)流電壓信号，而(er)HT2012輸入和輸出信(xìn)号是👣0~5V的方波信(xin)号，因此在HT2012和外(wai)部的HART信号之間(jian)還需要有濾波(bo)⛹🏻‍♀️電路和整形電(diàn)路。
　　由TLC27組成的濾(lü)波器是帶通濾(lü)波器，用來減少(shǎo)接收信💁号的噪(zào)聲❓幹擾。濾波器(qì)還用來消除波(bo)形中的尖峰💘，從(cong)而使接收到的(de)信号變得平緩(huan)。TLC37組成的數字方(fang)波産生回路把(ba)經過TLC27濾波後的(de)正弦波轉👅變成(cheng)相應的🐪方波，以(yi)便于HT2012接收。
　　緩沖(chong)器74HC126的作用是使(shi)方波的上升沿(yán)和下降沿趨于(yu)平緩,使🏃🏻信🤩号😘滿(mǎn)足HART物理層規範(fàn)所要求的信号(hào)波形🌐上升沿和(hé)下沿的時要求(qiú)，因爲較平級的(de)上升沿和❤️下降(jiang)沿時間可以降(jiàng)低與其它網絡(luò)間的串擾。HT2012需要(yào)☁️外部提供⭐460.8kHz的時(shi)鍾信号，且要求(qiu)時鍾頻率的誤(wu)差是土0.1%，若直接(jiē)輸入一個460.8kHz的晶(jing)振不僅會引起(qǐ)系統功耗的增(zeng)加，而且該💯晶振(zhen)屬于非标準晶(jing)振，需專門定制(zhì)。爲了解決👈這一(yi)-問👅題，在系統中(zhong)采用一片1.8432MHz的晶(jing)振以産生時鍾(zhong)信号，再經分頻(pín)器CD4013進行4分頗🚩，可(ke)輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分頻信(xìn)号供HT2012使用。
　　AD421其内(nei)部的電壓調節(jiē)器與外部的場(chǎng)效應管DN25D對輸入(rù)✏️到AD421的㊙️電壓進行(háng)調整，可提供+3.3V電(diàn)壓作爲其他設(she)備的👄電源。HART發出(chū)的FSK信号，經過-一(yi)個電容耦合送(sòng)到AD421中，轉換成相(xiang)應的土0.5mA正弦電(diàn)流🍓信号，實現電(dian)壓信号到電流(liú)⛱️信号的轉⭐換，同(tong)時，疊加在4~20mA的電(diàn)流上送給接收(shou)設備🔴，實現了HART協(xié)議的信息的交(jiao)換。本電路耦合(hé)電容取爲0.0033μF。
四、HART通(tong)訊協議的軟件(jian)實現
1.智能電磁(ci)流量計串口中(zhōng)斷程序
　　在串行(hang)口中斷服務程(chéng)序中，首先保護(hu)現場，然後判斷(duàn)是接收中斷還(hái)是發送中斷，若(ruo)爲接收中斷則(zé)執行接收服務(wù)子程序，否則執(zhí)行發送服務子(zǐ)程序。中斷處理(li)結束後，恢複現(xian)場幷返回系統(tǒng)主程序。HART通信采(cai)用水平和垂直(zhi)校驗的方法。當(dāng)檢測到接收數(shu)據有差錯時，則(ze)等到主設備命(ming)令幀發完後，通(tōng)知主設備數據(jù)接收有誤。主設(she)備則重新發命(ming)令幀，從而保證(zheng)通信可靠。
　　在對(duì)命令幀響應之(zhi)前先要将該幀(zhēn)拆分，即首先判(pàn)斷該幀前導碼(mǎ)是否正确，每接(jie)收一個前導碼(ma)，計數器加1,再接(jie)收定界符，若爲(wèi)有效的定界符(fu)且前導碼計數(shù)器大于1,則爲HART幀(zhēn)的起始位置，根(gēn)據定界符确定(dìng)HART幀的類型，若爲(wèi)應答幀或成組(zǔ)模式幀則終止(zhi)接收服務，等待(dai)載波結束;若爲(wei)請求幀，則确定(ding)幀格式，設置接(jie)收長幀格式或(huo)短幀格式地址(zhǐ)計數值，短幀格(gé)式地址接收1個(ge)字節,長幀格式(shì)地址接收5個字(zì)節。再接收命令(lìng)号,數據字節長(zhang)度字節，若數據(ju)字節長度字節(jiē)出現奇偶校驗(yan)錯誤則終止接(jiē)收服務，等待載(zai)波結束;否則設(she)置數據字節長(zhǎng)度計數器，每接(jiē)收-一個數據字(zi)節，長度計數器(qì)減1,最後接收水(shui)平校驗和。若接(jiē)收請求地址匹(pǐ)配，對接收的HART幀(zhen)異或求水平校(xiao)驗和，并與接收(shou)水平校驗和進(jìn)行比較，相同則(ze)表示無通訊錯(cuo)誤，否則置水平(ping)校驗和錯誤标(biāo)志爲1,結束接收(shōu)服務并轉入HART命(mìng)令執行子程序(xu)。
五、結論
　　對研制(zhì)的智能電磁流(liú)量計進行試驗(yan)表明:該流量計(jì)㊙️集💚成♊化程度高(gāo)、功能強、操作方(fāng)便、性能可靠;具(ju)有自診📐斷、自✂️檢(jian)定功能和HART數據(ju)通訊功能;可測(ce)正反兩個方向(xiàng)流量，也💁可測脈(mò)動流量;抗電磁(ci)幹擾和溫度性(xing)能好，适合于現(xiàn)場🚶測量和顯示(shi);測量範圍大,精(jing)度高。

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