摘要(yào):HART,即HighwayAddresableRemoteTransducer,是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速(sù)公路的簡稱，其(qi)特點🔴是在不幹(gàn)擾4~20mA模拟信号的(de)同時允許雙向(xiang)數字👌通訊。本文(wen)從兩方面讨論(lun)❤️基于HART協議智能(néng)電磁流量計具(ju)體實現的技術(shù)問⭕題，一是要解(jie)決硬件電路的(de)設計問題，二是(shi)要讨🌈論實現HART協(xié)議命令集🐪編程(cheng)及上位機軟件(jian)的實現。智能電(diàn)♍磁流量計設🤟計(ji)應用HART協議
一、前(qián)言
　　符合HART協議的(de)智能電磁流量(liàng)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(guò)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(zi)診斷等功能，因(yīn)此在流量計的(de)使用和維護中(zhōng)更加方便。
二、HART協(xié)議簡介
　　HART協議遵(zūn)循ISO制訂的OS1開放(fang)式系統互連參(cān)考模型，采用了(le)OSI模㊙️型的第🈚--層、第(dì)二層和第七層(ceng)，即物理層、數據(jù)鏈路層和應🏃用(yong)層。
1.物理層規範(fan)
　　HART協議采用美國(guó)電話通訊系統(tong)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(lǜ)是1200bps.因爲所疊加(jiā)的正弦信⛱️号平(ping)均值爲0,而且相(xiàng)位連續頻移鍵(jian)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(hui)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(jian)立、維護、數據鏈(liàn)路🏃‍♂️通訊💞功能，HART協(xié)議根據冗餘檢(jian)錯碼信息，通過(guò)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(wu)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(he)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(qie)經過🐆了差錯檢(jiǎn)驗接收正确無(wú)誤或是物理層(ceng)通知👨‍❤️‍👨信号傳輸(shū)終止(如檢測不(bu)到載波)之後才(cai)😄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(yi)。在從設備的應(yīng)答🍉消息🔞中除了(le)已被接收的确(que)認命令，許多消(xiao)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(you)兩個主設備運(yùn)行，一個基本主(zhu)設備，一個副主(zhu)設備🙇‍♀️。從設備根(gen)據兩個主設備(bèi)不同的地址來(lái)向它們分發各(ge)自的應答⁉️命令(lìng)消息。
3.應用層規(gui)範
　　規定了HART消息(xī)包中的3類命令(ling)，第一類是通用(yong)命令,适用于遵(zūn)守HART協議的所有(you)産品，爲符合HART協(xie)議的設備提供(gong)功能描述;第二(er)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(lèi)是設備特殊命(ming)令,适用于遵守(shǒu)HART協議的特殊産(chan)品。
三、基于HART協議(yì)的智能電磁流(liu)量計的通訊模(mo)塊設計
　　帶有HART通(tong)訊協議的智能(neng)電磁流量計的(de)硬件系統電📧路(lù)采用模塊化設(shè)計，主要包括傳(chuán)感器模塊，MCU模塊(kuài)、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(li)磁線圈中🚶‍♀️，同時(shí)來自電磁流量(liàng)傳感器的微小(xiǎo)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(jī)。單片機對這些(xie)🌈信号進行數據(jù)采集，分析處👉理(li)送至液晶顯示(shì)屏進行瞬時流(liu)量和累積流量(liang)的顯示。同時單(dan)片機通過計🧡算(suan)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(xian)與上位機的遠(yuan)程通訊。本文隻(zhī)介紹HART通訊模塊(kuai)設計:
　　HT2012芯片用來(lai)實現HART協議中通(tōng)訊信号的解調(diào)及調制過🌐程。HART信(xìn)号的解調過程(chéng):由帶通濾波器(qì)輸出的脈沖信(xin)号進✂️入HT2012後，調制(zhì)解調器分别将(jiang)脈沖信号中的(de)1200Hz和2200Hz解🐕調爲數字(zì)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(jù)進行判斷并執(zhí)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(kàng)轉化爲正弦交(jiao)流電壓信号，而(er)👌HT2012輸入和輸出信(xin)号是0~5V的方波信(xin)号，因此在HT2012和外(wai)部的HART信号之間(jiān)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(shao)接收信号的噪(zào)聲幹擾。濾波器(qì)還用來消除波(bō)形中的尖峰，從(cóng)而使接收到的(de)信🌈号變得平緩(huan)。TLC37組成的數字方(fāng)波産生回路把(ba)經過TLC27濾波🈲後的(de)正🔴弦波轉變成(chéng)相應的方波，以(yǐ)便于HT2012接收。
　　緩沖(chong)器74HC126的作用是使(shi)方波的上升沿(yan)和下降沿趨于(yú)🔞平緩,使信号滿(mǎn)足HART物理層規範(fàn)所要求的信号(hao)波形上升沿和(he)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(luo)間的串擾。HT2012需要(yao)外部提供460.8kHz的時(shí)鍾信号，且要求(qiu)⭐時鍾頻率⚽的誤(wù)差是土0.1%，若直接(jie)輸入一個460.8kHz的晶(jīng)💰振不僅會引起(qǐ)系統功耗的增(zeng)加，而且該🌍晶振(zhèn)屬于非标準晶(jīng)振，需專門定制(zhi)。爲了解決這一(yi)-問題，在系👈統中(zhōng)采用一片1.8432MHz的晶(jing)振以産生時鍾(zhong)信号，再經分頻(pin)器CD4013進行4分頗⚽，可(ke)輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分🌈頻信(xin)号供HT2012使用。
　　AD421其内(nei)部的電壓調節(jie)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(dian)流信号，實現電(diàn)壓💞信号到電流(liu)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(cí)流量計串口中(zhōng)斷程序
　　在串行(háng)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(hai)是發送中斷，若(ruo)爲接收中斷則(ze)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(lǐ)結束後，恢複現(xiàn)場幷返回系統(tong)主程序。HART通信采(cai)用水平和垂直(zhí)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(mìng)令幀發完後，通(tong)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(zhèng)通信可靠。
　　在對(duì)命令幀響應之(zhī)前先要将該幀(zhēn)拆分，即首先判(pan)斷該幀前導碼(mǎ)是否正确，每接(jiē)收一個前導碼(ma)，計數器加1,再接(jie)收定界符，若爲(wei)有效的定界符(fú)且前導碼計數(shu)器大于1,則爲HART幀(zhēn)的起始位置，根(gēn)據定界符确定(ding)HART幀的類型，若爲(wèi)應答幀或成組(zu)模式幀則終止(zhǐ)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(ge)式地址接收1個(gè)字節,長幀格式(shì)地址接收5個字(zì)節。再接收命令(ling)号,數據字節長(zhǎng)度字節，若數據(jù)字節長度字節(jie)出現奇偶校驗(yàn)錯誤則終止接(jiē)收服務，等待載(zǎi)波結束;否則設(shè)置數據字節長(zhǎng)度計數器，每接(jie)收-一個數據字(zì)節，長度計數器(qi)減1,最後接收水(shui)平校驗和。若接(jie)收請求地址匹(pi)配，對接收的HART幀(zhēn)異或求水平校(xiào)驗和，并與接收(shōu)水平校驗和進(jin)行比較，相同則(ze)表示無通訊錯(cuò)誤，否則置水平(píng)校驗和錯誤标(biāo)志爲1,結束接收(shou)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(gao)、功能強、操作方(fang)便、性能可靠;具(jù)有自診🌈斷、自檢(jian)定功能🈲和HART數據(jù)通訊功能;可測(cè)正反兩個方向(xiang)流量，也可測脈(mo)動流量⭐;抗電磁(cí)幹擾和溫度性(xìng)能好，适合于現(xian)場測量和顯示(shì);測量範圍大,精(jīng)度高。

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