摘要:現場總(zong)線控制系統(tong)代表了工業(yè)控制系統向(xiang)分散化🔞、網🌈絡(luo)化、智能化發(fa)展的方向.爲(wei)構建現場總(zǒng)線型工業測(ce)控🌍系統,要求(qiu)系統中所有(you)儀表都應具(jù)有現場總線(xian)功能.其中,HART總(zǒng)線技術在電(diàn)🔱磁流量儀表(biǎo)中應用最爲(wèi)廣泛,本文在(zài)對HART協💋議進行(háng)詳細分析的(de)基礎上,重點(diǎn)介紹了系統(tong)❓設計結構以(yi)及HART協議在智(zhi)能電磁流量(liàng)計 中的軟硬(ying)件實.現方法(fa).測試結果表(biao)明,該設計滿(mǎn)足❓現場實際(jì)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(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(xiang)數:字通訊.符(fu)合HART協議的智(zhì)能電磁流🈲量(liàng)計不僅可以(yi)實現各種流(liu)量的檢測和(hé)就地顯示,還(hái)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(jí)🐅完成自診🧑🏾‍🤝‍🧑🏼斷(duàn)等功能,在很(hěn)大程度上方(fang)便了流量計(ji)的使用和維(wéi)護,因而具有(yǒu)較強的市場(chǎng)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(shù)問題,一.是🐪要(yao)解決硬件電(dian)路的設計問(wen)題,二是要讨(tao)論實現HART協🈲議(yi)命令集編程(cheng)及上位機軟(ruan)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(tong)互連參考模(mó)型,采用了OSI模(mo)型的第一層(ceng)、第二層和第(dì)七層,即物理(li)層、數據鏈路(lù)層和應用🌈層(céng).
1.1物理層規範(fan)
　　HART協議采用美(mei)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(xian)波,波特率是(shì)1200bps因爲所疊加(jiā)的正弦信号(hao)平均值爲0而(er)且相位🚩連續(xu)頻移鍵控技(ji)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(jiao)是連續的,所(suo)以數字通♻️訊(xun)信号不會影(yǐng)響4~20mA的模拟信(xìn)号🔅.
1.2數據鏈路(lu)層規範
　　這一(yī)部分協議規(gui)定了HART幀的格(gé)式,實現建立(lì)、維護、終結鏈(liàn)路通訊功能(neng),HART協議根據冗(rǒng)餘檢錯碼信(xin)息,通過✌️差錯(cuo)檢測機制‼️和(hé)采用自動重(zhong)發請求協議(yì)(ARQ),實現通訊數(shu)據🌈無差錯傳(chuan)送.
　　與協議相(xiàng)關的實體間(jiān)的數據傳輸(shu)是以幀的形(xíng)式實現的.幀(zhen)❌是用戶控制(zhì)和尋址信息(xī)對用戶數據(jù)的🌈封裝,隻有(yǒu)幀中的字節(jie)記數結束且(qie)經過了差錯(cuo)檢驗接收正(zheng)确無誤或是(shi)物理層通知(zhī)信号傳輸終(zhong)止(如檢測不(bu)到載波)之後(hòu)才可以💃🏻進行(háng)幀的識别.HART幀(zhen)的格式如圖(tu)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(zuo)♍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(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(shì)副主設備‼️.
●COM命(ming)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(zi)節到最後(不(bu)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(ou)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(you)主設備産生(sheng)♍消♌息,而從設(shè)備隻在接收(shōu)到發送給它(ta)的消息後才(cái)做出應答.在(zài)從😄設備的應(yīng)答消息中除(chú)了已被接收(shōu)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(tóng)時有兩個主(zhǔ)設🈲備運行,一(yi)個基本主設(she)備,一個副主(zhu)設備.從設備(bèi)根🈲據兩個主(zhǔ)設備不同的(de)地址來向它(ta)們分發各自(zi)的應答命令(lìng)消息.
　　實際上(shàng)在智能現場(chang)設備與中央(yang)控制或監測(cè)設備的❄️信息(xī)往❄️返通訊,根(gen)據傳輸信号(hào)的不同,可以(yi)分爲🔴以下3種(zhǒng)通🐆訊模式:模(mo)拟模式、模拟(ni)+數字模式和(hé)廣播(全數字(zi))模式.
1.3應用層(ceng)規範
　　HART協議中(zhōng)包含三類命(ming)令:第一類爲(wèi)通用命令印(yin)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(tí)供功能描述(shu);第二類爲普(pǔ)通操作命令(lìng),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(zhè)些功能的描(miao)述;第三類爲(wei)設備特殊命(mìng)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(gong)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(yi)的智能電磁(ci)流量計的硬(yìng)件設計
　　帶有(you)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(she)計,主要包括(kuo)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(ji)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(zi)電磁流量傳(chuan)感器的微小(xiao)電勢信号經(jing)前置放大後(hou)通過AD模數轉(zhuan)換電路送入(rù)到單片機.單(dān)片機🈲對這些(xiē)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(liang)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(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(wèi)㊙️調💔制解調器(qì)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(mo)沖信号進入(rù)HT2012後,調制解調(diào)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(duì)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(wai)部接口.
　　HART數字(zi)信号規範是(shi)峰值爲1mA、平均(jun)值爲0mA正弦交(jiāo)流電流信号(hào),此信号經線(xian)路阻抗轉化(huà)爲正弦交流(liú)電壓信号,而(ér)HT2012輸入和輸出(chu)信号是0~5V的方(fāng)波信号,因此(cǐ)在HT2012和外😍部的(de)HART信号之間還(hai)需要☀️有濾波(bō)電路和🔞整形(xíng)電路.
　　如圖3所(suo)示,由TLC27組成的(de)濾波器是帶(dai)通濾.波器,用(yong)來減少接收(shōu)信号的噪聲(sheng)幹擾.濾波器(qi)還用來消除(chu)波形中的尖(jian)峰,從而使接(jiē)☂️收到的信号(hào)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(yīng)的方波,以便(biàn)🈲于HT2012接收.
 
　　如圖(tu)4所示,緩沖器(qi)74HC126的作用是使(shǐ)方波的.上升(sheng)沿和下降🈲沿(yán)♍趨于平緩,使(shi)信号滿足HART物(wù)理層規範所(suo)要求的信号(hao)波形上升沿(yan)和🈲下沿的時(shí)要求,因爲較(jiào)平緩的上升(sheng)沿和'下降沿(yan)時間可以降(jiàng)低與其它網(wǎng)絡間的串擾(rao).
 
　　HT2012需要外部提(ti)供4608kHz的時鍾信(xìn)号,且要求時(shí)鍾頻率的誤(wu)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(hào)的增✉️加,而且(qiě)該晶振🛀🏻屬于(yu)非标準晶振(zhen),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(shǐ)用.
　　AD421其内部的(de)電壓調節器(qi)與外部的場(chang)效應管DN25D對輸(shū)入到AD421的電壓(ya)進行調整,可(kě)提供十33V電壓(yā)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(rong)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(dian)流信号的轉(zhuǎn)換,同時,疊加(jiā)在4~20mA的電流.上(shàng)送給接收設(shè)備,實現了HART協(xié)議🐇的信息的(de)交換.本電路(lu)耦合電容取(qǔ)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(liàng)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(hang)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(ping)和垂直校驗(yan)的方法.當檢(jiǎn)測到接收數(shu)據有差錯時(shí),則等到主設(she)備命令幀❄️發(fā)完後,通知主(zhu)設備數據接(jiē)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(zhōng)斷子程序流(liu)程圖如圖6所(suǒ)示.
　　由于HART通信(xin)爲主從方式(shi),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(zheng)通訊的實時(shí)性,通訊程序(xu)采用串😘行口(kǒu)終端接收發(fā)送🍉.該中斷所(suǒ)要完成通信(xin)中的主要任(rèn)務,即接收和(he)發送幀🔴,幀的(de)拆分和打包(bāo).
 
3.2上位機軟件(jiàn)數據采集程(chéng)序
1)形成讀流(liú)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(shí),主設備向從(cong)設備發送);地(dì)址㊙️爲00(輪循地(di)址);命⭐令字是(shi)00(讀變送器标(biao)識命令字節(jie)數);無數據
2)追(zhuī)加校驗和:采(cǎi)用異或邏輯(jí)運算求校驗(yan)和追加在字(zi)節數後⛷️,形成(chéng)完整命令.
3)按(àn)異步串行通(tōng)信方式發送(song)命令并接收(shou)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(jì)其他數據命(mìng)令:5個FF前導碼(ma);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(zì)節數和數據(jù)略;采用異🏃或(huo)邏輯🏃‍♀️運算求(qiú)校驗和,追加(jiā)在字節數後(hou),形成完整命(ming)令.
4結論
　　對研(yan)制的智能電(dian)磁流量計進(jin)行試驗表明(míng):該流.量計集(ji)成❌化✂️程🆚度高(gao)、功能強、操作(zuò)方便、性能可(kě)靠;具有自診(zhěn)斷、自檢定功(gong)能和HART數據通(tong)訊功能;可測(ce)正反兩👌個方(fāng)向流量,也可(kě)測脈動流量(liang);抗電磁幹擾(rǎo)和溫度性能(néng)好,适合于現(xian)場測量和顯(xiǎn)示;測量範圍(wéi)大,精度🔞高.

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