摘要:現場總(zǒng)線控制系統(tǒng)代表了工業(yè)控制系統向(xiàng)分散化、網絡(luo)🌈化、智能化發(fa)展的方向.爲(wèi)構建現場總(zong)線型工業測(ce)控系統,要求(qiú)系統中所有(yǒu)儀表都應具(ju)有現場總線(xian)功☔能.其中,HART總(zǒng)線技術在電(dian)磁流量儀表(biao)中應用最爲(wei)廣泛,本文在(zai)對HART協議進行(hang)詳細分析的(de)基礎上,重點(dian)介紹了系統(tǒng)設計結構以(yǐ)⭐及HART協議在智(zhi)能電磁流量(liàng)計 中的軟硬(ying)件實.現方法(fǎ).測試結果表(biao)明,該設計滿(mǎn)足現場實際(ji)要求,達到了(le)設計目的.
　　HART,即(jí)HighwayAddressableRemoteTransdueer是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高(gao)速公路的簡(jian)稱,其特點是(shi)在不幹🔞擾4~20mA模(mó)拟信号的同(tóng)時允許雙向(xiàng)數:字通訊.符(fú)合HART協議的智(zhì)能電☀️磁流量(liang)計不僅可以(yǐ)實現各種流(liu)量的檢測和(hé)就地顯示,還(hái)可以通過上(shàng)位機進行😍遠(yuan)程設定,改變(bian)流量計的零(ling)點.量程,以及(jí)完成自診🔴斷(duan)等功能,在很(hen)大程度上方(fang)便了流量計(jì)的使用和👄維(wéi)護,因而具有(you)💜較強的市場(chang)競争力L-31.本文(wén)讨論基于HART協(xié)議智能電磁(ci)流量計具體(tǐ)實現的技術(shu)問題,一.是要(yao)解決硬件電(diàn)路的設計問(wen)題,二是要讨(tǎo)論實現HART協⁉️議(yi)命令集編程(cheng)及上位機軟(ruǎn)件的實現.
1HART協(xié)議簡介
　　HART協議(yi)遵循ISO制訂的(de)OSI開放式系統(tǒng)互連參考模(mo)型,采用了OSI模(mó)型的♊第一層(céng)、第二層和第(dì)七層,即物理(lǐ)層、數據鏈路(lù)層和應用層(ceng).
1.1物理層規範(fàn)
　　HART協議采用美(mei)國電話通訊(xun)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(shi)1200bps因爲所疊加(jiā)的正弦信号(hào)平均🤩值爲0而(ér)且相位連續(xù)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(biān)界的相位角(jiǎo)是連續的,所(suǒ)🤩以數字通訊(xùn)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(guī)定了HART幀的格(ge)式,實現建立(lì)、維護、終結鏈(liàn)路通訊功能(néng),HART協議根據冗(rong)餘檢錯碼信(xìn)息,通過差錯(cuo)檢測機制和(he)采💘用自動重(zhòng)發請求協議(yì)(ARQ),實現通訊數(shu)據無差錯傳(chuán)送.
　　與協議相(xiang)關的實體間(jiān)的數據傳輸(shu)是以幀的形(xing)式實💯現的.幀(zhen)是用戶控制(zhi)和尋址信息(xi)對用戶數據(jù)的封裝,隻有(yǒu)‼️幀中的字節(jiē)記數結束且(qie)經過了差錯(cuò)檢✌️驗接收正(zheng)确無誤或是(shì)物理層📐通知(zhi)信号傳輸終(zhong)止(如檢測不(bú)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(xin)号:實際上是(shi)同步信号,各(gè)通訊設備可(ke)以據此♻️略🌈做(zuò)調整,保證信(xin)息的同步.
●DELM定(dìng)界符:一個獨(du)特的或是最(zuì)容易識别的(de)字符.最高位(wei)‼️規定幀的尋(xun)址信息分爲(wei)長格式或短(duan)格式,低3位定(ding)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(dou)用來表示與(yu)該幀相關的(de)主設備的地(di)址.“1”表示基本(běn)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(gong)能,範圍爲255個(gè).
●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(zì)節)的字節數(shu).
●DATA數據字節:傳(chuán)送用戶數據(ju)和響應數據(jù),但不是每個(gè)🔴幀中都💚會包(bāo)含數據.
●CHK奇偶(ǒu)校驗:方式是(shì)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(yóu)主設備✌️産生(shēng)消息,而從設(she)備隻在接收(shou)到發送給它(tā)的消息後才(cai)做出應答😍.在(zai)從設備的應(ying)答消息中除(chú)了已被接收(shōu)的确🌂認命令(ling)🎯,許多消‼️息中(zhong)還包含了主(zhǔ)設☁️備詢問的(de)💚數據.HART協議允(yǔn)許系統🥰中同(tong)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(bèi)根🌈據兩個主(zhu)設備不同的(de)地址來向它(ta)們分發各自(zi)的應答命令(ling)消息.
　　實際上(shang)在智能現場(chang)設備與中央(yāng)控制或監測(cè)設備的信息(xi)👣往返通訊,根(gēn)據傳輸信号(hào)的不同,可以(yǐ)分爲以下㊙️3種(zhǒng)通🌈訊模式:模(mó)拟模式、模拟(nǐ)+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(zhōng)包含三類命(mìng)令:第一類爲(wèi)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(xie)議的設備提(ti)供功能描述(shu);第二類爲普(pǔ)通操🤟作命令(ling),适用于遵守(shǒu)HART協議的大部(bu)🏃‍♂️分産品,當設(she)備💘具有某些(xiē)功能時,該命(ming)令用于對這(zhe)些功能的描(miao)述;第三類爲(wei)設備特殊命(mìng)令,适用于遵(zun)守HART協議的特(tè)殊産品,提供(gong)一些特殊的(de)功能描述命(ming)令.HART協.議對于(yu)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(yǐ)确保互操作(zuò)性.
2基于HART協議(yì)的智能電磁(ci)流量計的硬(yìng)件設計
　　帶有(yǒu)HART通訊協議的(de)智能電磁流(liu)量計的硬件(jian)系統電🐪路采(cǎi)用🌏模塊化設(shè)計,主要包括(kuò)傳感器模塊(kuai)、MCU模塊.HART通訊模(mo)塊和人機界(jiè)面模塊4個部(bù)分.
　　由單片機(jī)控制的低頻(pín)勵磁電流輸(shu)出到傳感器(qì)的勵☎️磁線🌐圈(quān)中,同時來自(zì)電磁流量傳(chuan)感器的微小(xiao)電🌈勢信号經(jīng)🏃前置放大💜後(hou)通過AD模數轉(zhuan)換電路送入(ru)到🧡單片機🧑🏾‍🤝‍🧑🏼.單(dān)片機對這些(xie)🌈信号進行數(shù)據采集,分析(xi)處理送至液(yè)晶顯示屏進(jìn)行瞬時流量(liàng)和累積流量(liàng)的顯示.同時(shi)單‼️片機通過(guo)計⭕算公式對(duì)得到的流量(liàng)值進行補償(chang),将補🐕償後的(de)流量信号通(tong)過HART通訊模塊(kuài)實現與上位(wèi)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(yi)中通訊信号(hao)的解調及調(diao)制過程💛.圖🚶2爲(wei)✊調制解調器(qi)與微處理器(qì)的連接.
 
　　HART信号(hao)的解調過程(chéng):由帶通濾波(bō)器輸出的脈(mo)沖信号進入(rù)HT2012後⛹🏻‍♀️,調制解調(diao)器分别将脈(mo)沖信号中的(de)1200Hz和2200Hz解調爲數(shu)字1和0再将數(shù)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(zi)信号規範是(shi)峰值爲1mA、平均(jun1)值爲0mA正弦交(jiao)流電流信号(hào),此信☂️号經線(xiàn)路阻抗轉化(hua)爲正弦交流(liu)電壓信号,而(er)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼HT2012輸入和輸🤟出(chū)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(hai)需要有濾波(bo)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(chú)波形🧑🏾‍🤝‍🧑🏼中的尖(jian)峰,從而使接(jie)收到的信号(hao)變得平緩.TLC37組(zǔ)成的數字方(fāng)波産生回路(lù)把經過TLC27濾波(bō)後的正弦波(bō)轉變成相應(ying)的方波,以便(bian)于HT2012接收.
 
　　如圖(tú)4所示,緩沖器(qì)74HC126的作用是使(shi)方波的.上升(sheng)沿和下降沿(yan)趨于平❗緩,使(shi)信号滿足HART物(wù)理層規範所(suo)要求的💃🏻信号(hào)🥵波形♍上升沿(yan)和下沿的時(shi)要求,因爲較(jiao)平緩的👨‍❤️‍👨上升(sheng)沿和'下降沿(yán)時間可以降(jiàng)低與其它網(wang)絡間的串擾(rǎo).
 
　　HT2012需要外部提(tí)供4608kHz的時鍾信(xìn)号,且要求時(shí)鍾頻率的誤(wù)差⛹🏻‍♀️是Q1%,若直接(jie)入一個4608kHz的晶(jīng)振不僅會引(yin)起系統功耗(hao)的增加,而且(qie)該🔞晶振屬于(yu)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(yǐ)産生時鍾信(xìn)号,再經🌂分頻(pín)器CD4013進☔行4分頗(pō),可輸出1.8432MHz4=4608kHz的分(fen)🏃‍♀️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(chang)效應管DN25D對輸(shū)入☀️到AD421的電壓(yā)👉進♉行調整,可(kě)提供十33V電壓(ya)作爲其他設(she)備的電源.HART發(fā)出的FSK信号,經(jīng)過⚽一個電容(róng)耦合送到AD421中(zhōng),轉🈲換成相應(yīng)的0.5mA正弦電流(liú)信号,實現電(dian)壓信号到電(diàn)流信号的轉(zhuan)換,同時,疊加(jia)在4~20mA的電流.上(shang)送給接收設(she)備,實現了HART協(xie)議🤟的信息的(de)交🐉換.本電路(lu)耦合電容取(qu)爲0.0033HE,如圖5所示(shì).
 
3HART通訊協議的(de)軟件實現
3.1智(zhì)能電磁流量(liang)計串口中斷(duàn)程序
　　在HART通信(xin)中,智能電磁(cí)流量計作爲(wèi)從設備.進行(háng)通訊,所以這(zhè)裏的軟件設(shè)計隻是針對(dui)于從設備.HART通(tong)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(shi)㊙️,則等到🌈主設(shè)備命令幀發(fa)完後,通知主(zhǔ)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(liú)程圖如圖6所(suo)示.
　　由于HART通信(xìn)爲主從方式(shì),HART幀中每個字(zì)節在物理層(ceng)傳輸需要9ms左(zuo)右,爲了保證(zhèng)通訊的實時(shi)性,通訊程序(xù)采用串行口(kǒu)終端㊙️接收發(fā)送.該中斷所(suo)要完成通信(xìn)中的主要任(rèn)務,即接收和(hé)發送幀🌈,幀的(de)拆分和打包(bao).
 
3.2上位機軟件(jian)數據采集程(cheng)序
1)形成讀流(liu)量計長幀地(dì)址命令字:5個(ge)FF前導碼;起始(shi)字符爲02(采用(yong)短幀格式時(shi),主設備向從(cóng)設備發送);地(dì)址💯爲00(輪循地(di)址);命令字是(shì)00(讀變送器标(biao)識命令字節(jie)數);無數據
2)追(zhui)加校驗和:采(cǎi)用異或邏輯(ji)運算求校驗(yan)和追加在字(zì)節數後,形成(cheng)完整命令.
3)按(àn)異步串行通(tong)信方式發送(sòng)命令并接收(shōu)從設備回答(da)的信息.
4)從回(huí)答的信息中(zhong)提取流量計(jì)長幀地址.
5)形(xíng)成讀流量計(jì)其他數據命(mìng)令:5個FF前導碼(mǎ);起始字符爲(wèi)82(采用長✏️幀格(ge)式時,主設備(bei)向從設備發(fā)送);地址爲流(liu)量計長幀地(di)址;命令字、字(zì)節數和數據(jù)略;采用異💞或(huo)邏輯運算求(qiú)校驗和,追加(jia)在字節數後(hou),形成完整命(ming)令.
4結論
　　對研(yán)制的智能電(dian)磁流量計進(jin)行試驗表明(ming):該流.量計🍓集(jí)成化程度高(gao)、功能強、操作(zuo)方便、性能可(ke)靠;具有自診(zhen)斷、自檢定功(gong)能和HART數據通(tōng)訊功能;可測(cè)正反兩個方(fāng)向流量,也可(kě)測脈動流量(liàng);抗電磁幹擾(rao)和溫度性能(neng)好,适合于現(xiàn)場測量和顯(xian)示;測量範圍(wéi)大,精度高.

本(běn)文來源于網(wǎng)絡,如有侵權(quán)聯系即删除(chu)！