摘要:現場總(zong)線控制系統(tong)代表了工業(yè)控制系統向(xiàng)🌍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(qiú)系統中所有(you)儀表都應具(ju)有現場總線(xian)功能.其中,HART總(zǒng)線技術在電(diàn)磁流量儀表(biao)中應用最爲(wei)廣泛,本文在(zài)對HART協議進行(hang)詳細分析的(de)基礎上,重點(diǎn)介紹了系統(tong)設計結構以(yǐ)🛀🏻及HART協議在智(zhì)能電磁流量(liang)計 中的軟硬(ying)件實.現方法(fa).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(jian)稱,其特點🏃是(shi)在不⛱️幹擾🎯4~20mA模(mo)拟信号的同(tong)時允許雙向(xiang)數:字通訊.符(fu)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(he)就地顯示,還(hai)可以通過✨上(shang)位機進行遠(yuan)程設定,改變(bian)流量計的零(ling)點.量程,以及(ji)完成自診斷(duàn)等功能,在很(hěn)大程度上方(fang)便了流量🌏計(jì)的使用和㊙️維(wei)護,因而具有(you)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(cí)流量計具體(tǐ)實現的☁️技術(shù)問題,一.是要(yào)解決硬件電(dian)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(xie)議簡介
　　HART協議(yì)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(mo)型🎯的第一層(ceng)、第二層和第(di)七層,即物理(li)層、數據鏈路(lu)🐉層和應用層(ceng).
1.1物理層規範(fàn)
　　HART協議采用美(měi)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(shi)1200bps因爲所疊加(jia)的正弦信号(hào)👉平均值爲0而(er)且相位連續(xù)頻移鍵控技(jì)術要求在波(bō)特率爲1200Hz的數(shu)據位1和0的邊(biān)界的相位角(jiao)📐是連續的,所(suo)‼️以數字通訊(xùn)信号不🈲會影(ying)響4~20mA的模拟信(xìn)号🆚.
1.2數據鏈路(lu)層規範
　　這一(yi)部分協議規(gui)定了HART幀的格(ge)式,實現建立(lì)、維護、終結㊙️鏈(liàn)路通訊功能(neng),HART協議根據冗(rong)餘檢錯碼信(xìn)息,通過差錯(cuo)檢測機制和(hé)采用自🔞動重(zhòng)發請求協議(yi)(ARQ),實現通訊數(shu)據🐅無差錯🔴傳(chuán)送.
　　與協議相(xiàng)關的實體間(jiān)的數據傳輸(shū)是以幀的形(xing)式實現的.幀(zhēn)是用戶控制(zhi)和尋址信息(xi)對用戶數據(ju)的封裝☎️,隻有(yǒu)幀中的字🈲節(jie)記數結束且(qiě)經過了差錯(cuo)檢驗接收正(zhèng)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(háng)幀的識别.HART幀(zhen)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(zuò)⚽調⛹🏻‍♀️整,保證信(xìn)息的同步.
●DELM定(dìng)界符:一個獨(du)特的或是最(zui)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(ding)義了幀的類(lèi)型.
●ADDR地址字節(jiē):包含了源地(di)址和目的地(dì)址,最高位都(dou)用🌈來表示與(yu)該幀相關的(de)主設備的地(dì)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(shì)現場儀表所(suo)要執行的功(gong)能,範圍爲255個(gè)💃.
●BYTECORNT數據總長度(dù):該值表示的(de)是BYTECORNT下一個字(zi)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(jù)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(xiao)驗.
　　在數據鏈(liàn)路層中的HART協(xie)議是一種“主(zhǔ)從”協議,即由(yóu)主設備✍️産生(sheng)消息,而從設(shè)備隻在接收(shou)到發送給它(ta)的消息後才(cái)做出應答.在(zai)從設備的應(yīng)答消息中除(chú)了🏃‍♀️已被接收(shou)的确認命令(ling),許多消息中(zhōng)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(shè)備,一個副主(zhu)設備.從設備(bei)根⚽據兩個主(zhu)設🤩備不同的(de)地址來向它(tā)們分發各🈲自(zi)的應答命令(lìng)消息.
　　實際上(shang)在智能現場(chǎng)設備與中央(yang)控制或監測(ce)設備的信息(xī)往返通訊,根(gen)據傳輸信号(hào)的不同,可以(yǐ)分爲以下3種(zhong)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(céng)規範
　　HART協議中(zhong)包含三類命(mìng)令:第一類爲(wei)通用命令印(yìn)l,适用于遵守(shǒu)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(shu);第二類爲普(pu)通操作命令(lìng),适用于遵守(shǒu)HART協議的大部(bù)分産品⁉️,當設(she)備具有某🧑🏾‍🤝‍🧑🏼些(xie)功能🔅時,該命(mìng)令用于對這(zhè)些功能的描(miáo)述;第三類爲(wei)設備特♌殊命(ming)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(ming)令.HART協.議對于(yú)廠家生産的(de)具有特殊功(gōng)能的産品還(hái)提供了設備(bèi)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(cai)用模塊化設(she)計,主要包括(kuò)傳感器模塊(kuai)、MCU模塊.HART通💞訊模(mó)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(qi)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(jing)前置放大後(hòu)通過AD模數轉(zhuǎn)換電路送入(ru)到單片機.單(dān)片機對這些(xiē)信号進行數(shu)據采集,分析(xī)處理送至液(yè)晶顯示屏👄進(jin)行瞬時流量(liàng)和累積流量(liàng)的顯示.同時(shi)單片機通過(guò)計算公式對(duì)得到的流量(liàng)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(tong)訊.
2.1HART通訊模塊(kuai)設計
　　HT2012芯片用(yòng)來實現HART協議(yì)中通訊信号(hào)的解調及調(diào)制過程.圖2爲(wèi)調制解調器(qi)與微處理器(qì)的連接.
 
　　HART信号(hào)的解調過程(chéng):由帶通濾波(bo)器輸出的脈(mò)沖信号進入(ru)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(shù)字1和0再将數(shu)字信号由HT2012的(de)ORXD端口輸出,CPU對(dui)接收到的數(shu)據🚶‍♀️進行判斷(duan)并執行相應(yīng)的任務.
2.2HT2012與外(wài)部接口.
　　HART數字(zì)信号規範是(shì)峰值爲1mA、平均(jun1)值爲0mA正弦交(jiāo)流電流信号(hào),此信号經線(xian)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(fang)波信号,因此(cǐ)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(xing)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(qi)還用來消除(chú)波形中的尖(jiān)峰,從而使接(jiē)收到的信号(hao)變得平緩.TLC37組(zu)成的💁數字方(fāng)波産生回路(lu)把經過TLC27濾波(bo)後的正弦波(bo)轉變成相應(yīng)的🌂方波,以便(bian)👈于HT2012接收.
 
　　如圖(tu)4所示,緩沖器(qì)74HC126的作用是使(shǐ)方波的.上升(shēng)沿和下降沿(yan)趨于平緩,使(shi)信号滿足HART物(wù)理層規範所(suǒ)要求的✂️信号(hao)波形上升沿(yan)和下沿的時(shi)要求,因爲較(jiao)平緩的上升(shēng)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(xin)号,且要求時(shi)鍾頻率的誤(wù)差是🔞Q1%,若🙇‍♀️直接(jie)入一個4608kHz的晶(jing)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(zhen),需專門定制(zhì)✌️.爲了解決這(zhè)一問題,在系(xì)統中♉采用一(yi)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(po),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(shu)入🍓到AD421的電🏃‍♂️壓(yā)進行調整,可(ke)提供十33V電壓(ya)作爲其他設(shè)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(zhong),轉換成相♍應(ying)的0.5mA正弦電流(liú)信号,實♋現電(dian)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(she)備㊙️,實現了HART協(xié)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(shì).
 
3HART通訊協議的(de)軟件實現
3.1智(zhi)能電磁流量(liàng)計串口中斷(duan)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(zhe)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(yan)的方法.當檢(jian)測到接收數(shu)據有🌍差錯時(shi),則等到主設(she)備命令幀發(fa)完後,通知主(zhǔ)設備數據接(jiē)收⛱️有誤.主設(she)備則重新發(fa)命令幀㊙️,從而(er)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(suǒ)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(céng)傳✌️輸♉需💰要9ms左(zuǒ)右☔,爲了保證(zhèng)通訊的實時(shí)性,通訊程序(xu)采用串行口(kou)終端接收發(fā)送.該中斷所(suǒ)要完成通信(xin)中的主要任(ren)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(jiàn)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(gè)FF前導碼;起始(shǐ)字🌍符爲02(采👨‍❤️‍👨用(yòng)短幀格式時(shi),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(biāo)識命令字節(jie)數);無數據
2)追(zhuī)加校驗和:采(cǎi)用異或邏輯(ji)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(huí)答的信息中(zhong)提取流量計(jì)長幀地址.
5)形(xing)成讀流量計(ji)其他數據命(mìng)令:5個FF前導碼(mǎ);起始字符爲(wei)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(di)址;命令字、字(zi)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(hòu),形成完整💘命(mìng)令.
4結論
　　對研(yan)制的智能電(dian)磁流量計進(jin)行試驗表明(ming):該流.量計集(ji)成✂️化✔️程度高(gao)、功能強、操作(zuò)方便、性能可(ke)靠;具有💃自診(zhen)斷、自檢定🌈功(gong)能和HART數據通(tong)訊功能;可測(ce)正反兩個方(fang)向🏃🏻流量,也🔞可(kě)測脈🤩動流量(liang)🍉;抗電磁👈幹擾(rao)和溫度性能(néng)好,适合于現(xian)場測量和顯(xian)示;測量範🌏圍(wéi)大,精度🏃高.

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