摘要(yào):HART,即HighwayAddresableRemoteTransducer,是可尋址遠程(chéng)傳感器高速公路(lù)的簡稱，其特點是(shì)在不幹擾4~20mA模拟信(xìn)号的同時允許雙(shuang)向數字通訊。本文(wén)從兩方面讨論基(jī)于HART協議智能電磁(cí)流量計具體實現(xiàn)的技術問☎️題，一是(shì)要解決硬件電路(lù)的設計問題，二是(shì)要讨論實現HART協議(yì)命令集編程及上(shàng)位機軟件的實現(xian)。智能電磁流量計(ji)設計應用HART協議
一(yi)、前言
　　符合HART協議的(de)智能電磁流量計(jì) 不僅可以實現各(gè)種流量的檢測和(hé)就地顯示，還可以(yǐ)通過上位計進行(hang)遠程設定，改變流(liu)量計的零點、量程(cheng)⭐，以及完成自診💞斷(duàn)等功能，因此在流(liú)量計的使用和維(wei)護中更加方便。
二(er)、HART協議簡介
　　HART協議遵(zun)循ISO制訂的OS1開放式(shì)系統互連參考模(mó)型，采用了💃OSI模型的(de)第㊙️--層、第二層和第(di)七層，即物理層、數(shù)據鏈路層和應用(yong)層🆚。
1.物理層規範
　　HART協(xié)議采用美國電話(hua)通訊系統Bel1202頻移鍵(jian)控(FSK)标準，在4~20mA的✌️模拟(ni)士0.5mA的正弦波，波特(te)率是1200bps.因爲所疊加(jiā)的正弦信🍉号平均(jun1)值爲0,而且相位連(lian)續頻移鍵控技術(shù)要求在波特率🈲爲(wèi)1200Hz的數🐕據位1和0的邊(bian)界的相位角是連(lian)續的🥰，所以數字通(tōng)訊信号不會影響(xiang)🌈4~20mA的模拟信号。
2.數據(ju)鏈路層規範
　　這一(yī)部分協議規定了(le)HART幀的格式，實現建(jiàn)立、維護、數據鏈🔴路(lu)通訊功能，HART協議根(gēn)據冗餘檢錯碼信(xin)息，通過🤞差錯檢測(cè)❓機制和采用自動(dòng)重發請求協議(ARQ),實(shi)現通訊數據無差(cha)錯❌傳送。與協議相(xiàng)♻️關的數據傳輸是(shi)以幀的形式實現(xiàn)的。幀是用戶控制(zhì)和尋址信息對用(yong)🚶‍♀️戶數據的封裝，隻(zhī)有幀中♊的字節記(jì)數結束且經過了(le)差錯檢驗✌️接收正(zhèng)确無誤或⭐是物理(li)層通知信号傳輸(shu)終止✏️(如檢測不到(dào)載波)之後才🏃‍♂️可以(yǐ)進行幀的識🌈别。
　　在(zài)數據鏈路層中的(de)HART協議是--種“主1從”協(xié)議。在從設備🤞的應(yīng)✊答☂️消息中除了已(yǐ)被接收的确認命(ming)令，許多消息中還(hai)包含了主設🌈備詢(xun)😍問的數據。HART協議允(yǔn)許系統中同時有(you)兩個主設備運行(hang)，一個基本💁主設備(bèi)，一個副主設備。從(cóng)設備根據兩個主(zhǔ)設備不同的地址(zhǐ)來☂️向它們分發各(ge)自的應答命令消(xiao)息。
3.應用層規範
　　規(gui)定了HART消息包中的(de)3類命令，第一類是(shi)通用命令,适用于(yú)遵守HART協議的所有(yǒu)産品，爲符合HART協議(yì)的設備提🥵供功👉能(néng)描🥵述;第二類是普(pu)✉️通操作命令,适用(yong)于遵守HART協議的♌大(da)部分産品;第三類(lèi)是設備特殊命令(ling),适用于遵守HART協議(yi)的特殊産品。
三、基(ji)于HART協議的智能電(diàn)磁流量計的通訊(xùn)模塊設計
　　帶有HART通(tong)訊協議的智能電(dian)磁流量計的硬件(jiàn)系統電路采用模(mó)塊化設計，主要包(bāo)括傳感器模塊，MCU模(mó)塊、HART通訊模♻️塊和人(ren)機界面模塊四個(ge)部分。
　　由單片機控(kong)制的低頻勵磁電(dian)流輸出到傳感器(qi)的勵磁線圈中，同(tóng)時來自電磁流量(liang)傳感器的微小電(diàn)勢信号經前置放(fang)大後通過AD模數轉(zhuǎn)換電路送入到🐅單(dan)片機。單片機對這(zhè)些信号進行數據(ju)采集，分析處理送(song)至液晶顯示屏進(jìn)行瞬時流量和累(lei)♌積流量的顯示。同(tóng)時單片機通過計(ji)算公式對得到的(de)流量值進行補償(chang)，将補償後的流量(liàng)信号通過HART通訊模(mo)♈塊實現與上位機(jī)的遠程通訊。本文(wén)隻介紹HART通訊模塊(kuài)設計👨‍❤️‍👨:
　　HT2012芯片用來實(shi)現HART協議中通訊信(xin)号的解調及調制(zhì)過程。HART信号📐的解⁉️調(diào)過程:由帶通濾波(bo)器輸出的脈沖信(xìn)号進入HT2012後，調制解(jiě)調😍器分别将脈沖(chòng)信号中的1200Hz和2200Hz解🈲調(diao)爲數字1和0，再将數(shù)字信号由💔HT2012的ORXD端口(kou)♉輸出，微處理器(CPU)對(duì)接收到的數據進(jìn)行判斷并執行相(xiang)應的任務。
　　HART數字信(xin)号規範是峰值爲(wèi)1mA、平均值爲0mA正弦交(jiāo)流電流信🙇‍♀️号，此⭐信(xin)号經線路阻抗轉(zhuan)化爲正弦交流電(diàn)壓信👄号，而HT2012輸入和(he)輸出信号是🔆0~5V的方(fang)波信号，因此在HT2012和(he)外部的HART信号之間(jiān)還需要有濾波電(diàn)路和整形電路。
　　由(yóu)TLC27組成的濾波器是(shi)帶通濾波器，用來(lái)減少接收信号的(de)噪聲幹♊擾。濾波器(qi)還用來消除波形(xing)中的尖峰💁，從而使(shǐ)接收到的信号變(biàn)❓得平緩。TLC37組成的數(shù)字方波産生回🛀路(lu)把經👄過TLC27濾波後的(de)正弦波轉變成相(xiàng)應的方波，以便于(yú)HT2012接收。
　　緩沖器74HC126的作(zuo)用是使方波的上(shàng)升沿和下降沿趨(qu)于平緩,使信号滿(man)足HART物理層規範所(suo)要求的信号波形(xing)🏒上升沿和下沿的(de)時要求，因爲較平(píng)級的上升沿和下(xià)降沿🏃🏻時間可以降(jiàng)低與其它網絡間(jian)的串擾。HT2012需要外部(bu)提供460.8kHz的時鍾信号(hào)，且要求♻️時鍾頻率(lü)的誤差是🌂土0.1%，若直(zhi)接輸😘入一個460.8kHz的晶(jing)振不僅會引起系(xì)統功耗♉的增加，而(er)且該晶振屬于非(fēi)标準晶振，需專門(men)定制。爲了解決這(zhè)一-問題，在系💃統中(zhong)采用一片1.8432MHz的晶振(zhen)以💞産生時鍾信号(hao)，再經分頻器CD4013進行(háng)4分頗，可輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分(fèn)頻信号供HT2012使用。
　　AD421其(qí)内部的電壓調節(jiē)器與外部的場效(xiao)應管DN25D對輸入到AD421的(de)電壓進行調整，可(ke)提供+3.3V電壓作爲其(qí)他設備的電源。HART發(fa)出的FSK信号，經過-一(yī)個電容耦合送到(dao)AD421中，轉換成相應☎️的(de)土0.5mA正弦電流📞信号(hao)，實現電壓信号到(dao)電流信号的轉換(huàn)，同時，疊🛀加在4~20mA的電(dian)🈲流上送給接收設(she)備，實現了HART協議🈚的(de)信息的交換。本電(dian)路耦合電容取爲(wei)♌0.0033μF。
四、HART通訊協議的軟(ruǎn)件實現
1.智能電磁(cí)流量計串口中斷(duan)程序
　　在串行口中(zhong)斷服務程序中，首(shou)先保護現場，然後(hòu)判斷是接收中斷(duan)還是發送中斷，若(ruò)爲接收中斷則執(zhí)行接收服務子程(chéng)序，否則執行發送(song)服務子程序。中斷(duan)處理結束後，恢複(fu)現場幷返回系統(tong)主程序。HART通信采用(yong)水平和垂直校驗(yàn)的方法。當檢測到(dao)接收數據有差錯(cuò)時，則等到主設備(bèi)命令幀發完後，通(tong)知主設備數據接(jie)收有誤。主設備則(ze)重新發命令幀，從(cong)而保證通信可靠(kào)。
　　在對命令幀響應(ying)之前先要将該幀(zhēn)拆分，即首先判斷(duan)該幀前導碼是否(fǒu)正确，每接收一個(ge)前導碼，計數器加(jiā)1,再接收定界符，若(ruo)爲有效的定界符(fu)且前導碼計數器(qi)大于1,則爲HART幀的起(qi)始位置，根據定界(jiè)符确定HART幀的類型(xíng)，若爲應答幀或成(chéng)組模式幀則終止(zhǐ)接收服務，等待載(zǎi)波結束;若爲請求(qiu)幀，則确定幀格式(shì)，設置接收長幀格(gé)式或短幀格式地(dì)址計數值，短幀格(gé)式地址接收1個字(zì)節,長幀格式地址(zhi)接收5個字節。再接(jiē)收命令号,數據字(zì)節長度字節，若數(shu)據字節長度字節(jiē)出現奇偶校驗錯(cuò)誤則終止接收服(fú)務，等待載波結束(shu);否則設置數據字(zì)節長度計數器，每(mei)接收-一個數據字(zì)節，長度計數器減(jiǎn)1,最後接收水平校(xiao)驗和。若接收請求(qiú)地址匹配，對接收(shou)的HART幀異或求水平(ping)校驗和，并與接收(shou)水平校驗和進行(háng)比較，相同則表示(shi)無通訊錯誤，否則(ze)置水平校驗和錯(cuo)誤标志爲1,結束接(jie)收服務并轉入HART命(ming)令執行子程序。
五(wu)、結論
　　對研制的智(zhi)能電磁流量計進(jìn)行試驗表明:該流(liu)量計集成化程度(du)高、功能強、操作方(fāng)便、性能可靠;具有(you)🤞自診🌈斷、自檢定功(gong)能和HART數據通訊功(gōng)能;可測正反兩個(gè)方向㊙️流量，也可測(cè)脈㊙️動流量;抗電磁(ci)幹擾和溫度性能(néng)好，适合于現場測(cè)量和顯示;測量範(fàn)圍大,精度高。

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