摘要:HART,即HighwayAddresableRemoteTransducer,是(shi)可尋址遠程傳感器(qi)高速(su)公路(lu)的簡(jian)稱，其特點(dian)是在(zai)不幹擾4~20mA模(mo)拟信号的(de)同(tong)時允許(xu)雙向數(shu)字(zi)通訊。本文從兩(liang)方面(mian)讨論基(ji)于(yu)HART協議(yi)智能電磁流量(liang)計具(ju)體(ti)實(shi)現的(de)技術(shu)問(wen)題(ti)，一是(shi)要解決硬件電(dian)路的(de)設計問題(ti)，二是要(yao)讨(tao)論實(shi)現HART協(xie)議命令集(ji)編程及上(shang)位機(ji)軟件(jian)的實(shi)現。智(zhi)能電磁(ci)流(liu)量計設計(ji)應(ying)用HART協議(yi)
一、前言
　　符合HART協議的(de)智能(neng)電磁(ci)流量計 不(bu)僅可(ke)以實現各種流(liu)量的(de)檢測和就地顯(xian)示(shi)，還可以(yi)通過上(shang)位(wei)計進行遠(yuan)程(cheng)設定，改(gai)變流(liu)量計(ji)的零(ling)點、量(liang)程，以及完(wan)成自(zi)診斷(duan)等功能，因(yin)此在(zai)流量(liang)計的(de)使(shi)用(yong)和維(wei)護中更(geng)加(jia)方便(bian)。
二、HART協議(yi)簡(jian)介
　　HART協議遵循ISO制訂的(de)OS1開放式系統互(hu)連參(can)考模型，采(cai)用了OSI模型(xing)的第(di)--層、第(di)二(er)層和第(di)七層，即物(wu)理層(ceng)、數據鏈路(lu)層和(he)應用(yong)層。
1.物理層(ceng)規範(fan)
　　HART協議采用(yong)美國電話通訊(xun)系統(tong)Bel1202頻移(yi)鍵控(kong)(FSK)标準，在(zai)4~20mA的模拟(ni)士0.5mA的(de)正(zheng)弦波，波(bo)特率(lü)是1200bps.因(yin)爲所(suo)疊加(jia)的正弦信(xin)号平(ping)均值(zhi)爲0,而(er)且相位連續頻(pin)移鍵(jian)控技(ji)術要(yao)求在(zai)波(bo)特率爲(wei)1200Hz的數(shu)據位(wei)1和0的(de)邊界(jie)的相位角(jiao)是連續的，所以(yi)數字(zi)通(tong)訊(xun)信号(hao)不會(hui)影響4~20mA的模(mo)拟信(xin)号。
2.數據鏈(lian)路層規(gui)範
　　這一(yi)部分(fen)協議規定(ding)了HART幀(zhen)的(de)格式，實(shi)現建(jian)立、維護、數(shu)據鏈路通(tong)訊功(gong)能，HART協(xie)議根據冗(rong)餘檢錯(cuo)碼信息，通過(guo)差(cha)錯(cuo)檢測(ce)機制(zhi)和(he)采(cai)用自動重(zhong)發(fa)請求協(xie)議(ARQ),實現通訊數據無差錯(cuo)傳送(song)。與協議(yi)相關的(de)數據傳(chuan)輸是以(yi)幀的形式實現(xian)的。幀(zhen)是用(yong)戶控(kong)制和尋(xun)址(zhi)信息(xi)對用戶(hu)數(shu)據的(de)封裝，隻有幀中(zhong)的字節(jie)記數結(jie)束且(qie)經過(guo)了差錯檢(jian)驗接收正(zheng)确無誤或(huo)是物(wu)理層(ceng)通知(zhi)信号(hao)傳輸終(zhong)止(zhi)(如檢(jian)測不到(dao)載波)之(zhi)後才可以進行(hang)幀的(de)識(shi)别。
　　在數(shu)據鏈路(lu)層(ceng)中的HART協議(yi)是(shi)--種“主1從(cong)”協議。在(zai)從(cong)設備(bei)的應(ying)答消(xiao)息中(zhong)除了已被(bei)接收(shou)的确認(ren)命令，許(xu)多消(xiao)息中還包(bao)含了(le)主設備詢(xun)問的(de)數據。HART協議(yi)允許(xu)系統(tong)中同(tong)時有(you)兩個主設(she)備運(yun)行(hang)，一個基(ji)本主設備(bei)，一個副主(zhu)設備(bei)。從設(she)備根據兩(liang)個主(zhu)設備(bei)不同(tong)的地(di)址來向(xiang)它們分(fen)發各(ge)自的應答(da)命令消(xiao)息(xi)。
3.應用(yong)層規(gui)範
　　規定了(le)HART消息(xi)包中的3類(lei)命令(ling)，第(di)一類是(shi)通用(yong)命令(ling),适用(yong)于遵(zun)守HART協議的(de)所有産(chan)品，爲符(fu)合HART協(xie)議的設備(bei)提供(gong)功(gong)能(neng)描述(shu);第二(er)類是普通(tong)操作命令(ling),适用于遵(zun)守HART協(xie)議的(de)大部(bu)分産(chan)品;第三類(lei)是設(she)備特(te)殊命(ming)令,适(shi)用于(yu)遵守(shou)HART協議的特(te)殊産品(pin)。
三(san)、基于(yu)HART協議的智能電(dian)磁流(liu)量計(ji)的通(tong)訊模(mo)塊設(she)計
　　帶(dai)有HART通(tong)訊協議的(de)智能(neng)電(dian)磁流量(liang)計的硬(ying)件(jian)系統(tong)電路采(cai)用(yong)模塊(kuai)化設計，主要包(bao)括傳(chuan)感(gan)器模塊(kuai)，MCU模塊(kuai)、HART通(tong)訊(xun)模塊(kuai)和人(ren)機界面模(mo)塊四個部(bu)分。
　　由單片(pian)機(ji)控(kong)制的(de)低頻勵磁電流輸出(chu)到傳感器(qi)的勵磁(ci)線(xian)圈中，同時(shi)來自(zi)電磁(ci)流量傳(chuan)感器的微小(xiao)電勢信号(hao)經前置(zhi)放(fang)大後(hou)通過(guo)AD模(mo)數轉換(huan)電路(lu)送入(ru)到單(dan)片機(ji)。單(dan)片機對(dui)這些信号(hao)進行(hang)數據采集，分析(xi)處理送至(zhi)液晶(jing)顯示(shi)屏進(jin)行瞬(shun)時流量(liang)和(he)累積(ji)流量(liang)的(de)顯示。同(tong)時單片機通過計算(suan)公(gong)式對得(de)到的流量(liang)值進(jin)行補(bu)償，将補償(chang)後的(de)流量信号(hao)通過HART通(tong)訊模塊(kuai)實現與上(shang)位機(ji)的遠(yuan)程通訊。本(ben)文隻(zhi)介紹HART通訊(xun)模塊(kuai)設計:
　　HT2012芯片(pian)用來(lai)實(shi)現HART協議中通(tong)訊信号的(de)解調及調(diao)制過程。HART信(xin)号的(de)解調(diao)過程(cheng):由帶(dai)通濾(lü)波器(qi)輸出的脈(mo)沖信号進(jin)入HT2012後(hou)，調制(zhi)解調器分(fen)别将(jiang)脈沖(chong)信号中的1200Hz和2200Hz解調爲(wei)數字1和0，再(zai)将數(shu)字信号由HT2012的ORXD端(duan)口輸出，微處理器(CPU)對(dui)接收(shou)到的(de)數據進(jin)行(hang)判斷(duan)并執(zhi)行相(xiang)應的(de)任務(wu)。
　　HART數字(zi)信号(hao)規範(fan)是峰值爲(wei)1mA、平均值(zhi)爲0mA正弦(xian)交流(liu)電流信号(hao)，此信(xin)号經(jing)線路(lu)阻抗轉化爲正(zheng)弦交(jiao)流電壓信(xin)号，而(er)HT2012輸入和輸(shu)出信号(hao)是(shi)0~5V的方(fang)波信号，因此在(zai)HT2012和外部的(de)HART信号之間還需要有(you)濾波電路和整形電(dian)路。
　　由(you)TLC27組成(cheng)的濾波(bo)器(qi)是帶(dai)通濾(lü)波器，用來(lai)減少接收(shou)信号(hao)的噪聲(sheng)幹擾。濾(lü)波器(qi)還用(yong)來消除波形中的尖(jian)峰，從而使(shi)接收(shou)到的(de)信(xin)号變得(de)平緩。TLC37組成(cheng)的數(shu)字方(fang)波産生回(hui)路把經過TLC27濾波後的正(zheng)弦(xian)波轉(zhuan)變成相(xiang)應的方波，以(yi)便于HT2012接收(shou)。
　　緩沖(chong)器74HC126的(de)作用(yong)是使(shi)方波的上(shang)升沿(yan)和(he)下(xia)降沿趨于平(ping)緩,使信(xin)号滿足HART物(wu)理層(ceng)規範所(suo)要(yao)求的(de)信号波(bo)形(xing)上升沿和(he)下沿的時(shi)要求，因爲(wei)較平級的(de)上升(sheng)沿和(he)下降沿時(shi)間可以降低(di)與其它(ta)網絡間的(de)串擾。HT2012需要外(wai)部提供(gong)460.8kHz的時鍾信(xin)号，且(qie)要求(qiu)時鍾頻率(lü)的誤(wu)差(cha)是土0.1%，若(ruo)直接(jie)輸入一個(ge)460.8kHz的晶(jing)振(zhen)不(bu)僅會(hui)引起(qi)系統功耗(hao)的增加，而(er)且該晶振(zhen)屬(shu)于(yu)非标(biao)準晶振(zhen)，需(xu)專門(men)定制(zhi)。爲了解決(jue)這一(yi)-問題(ti)，在系(xi)統中(zhong)采用一片(pian)1.8432MHz的晶振以(yi)産生(sheng)時鍾(zhong)信(xin)号，再經(jing)分頻器(qi)CD4013進(jin)行4分頗，可(ke)輸出(chu)1.8432MHz/4=460.8kHz的分(fen)頻信号供HT2012使用(yong)。
　　AD421其内部的(de)電壓(ya)調節器與(yu)外部(bu)的場(chang)效(xiao)應管DN25D對(dui)輸入(ru)到AD421的(de)電壓(ya)進行調整，可提(ti)供+3.3V電壓(ya)作(zuo)爲其他設(she)備(bei)的電源(yuan)。HART發出的FSK信(xin)号，經過-一(yi)個電(dian)容耦(ou)合送(song)到AD421中(zhong)，轉換(huan)成相應的土0.5mA正(zheng)弦電流信号，實現電壓信号到(dao)電流信(xin)号的轉(zhuan)換，同(tong)時，疊加在(zai)4~20mA的電(dian)流上(shang)送給(gei)接收(shou)設備，實現(xian)了HART協議的(de)信息(xi)的交(jiao)換(huan)。本電路(lu)耦合(he)電(dian)容(rong)取爲(wei)0.0033μF。
四、HART通訊協議的(de)軟件實現
1.智能(neng)電磁流量計串(chuan)口中(zhong)斷(duan)程(cheng)序
　　在串行(hang)口中斷服(fu)務程序(xu)中(zhong)，首先(xian)保護(hu)現場，然後(hou)判斷是接收中(zhong)斷還(hai)是發送中(zhong)斷，若(ruo)爲(wei)接(jie)收中(zhong)斷則(ze)執行(hang)接收(shou)服務子程序，否則執(zhi)行發送服(fu)務子程(cheng)序(xu)。中斷處理(li)結(jie)束後，恢(hui)複現(xian)場幷(bing)返回系統(tong)主程(cheng)序。HART通(tong)信采用(yong)水平和(he)垂直(zhi)校驗的方(fang)法。當檢測到接(jie)收數(shu)據(ju)有差錯(cuo)時，則等到(dao)主設(she)備命(ming)令幀發完(wan)後，通知主(zhu)設備(bei)數據(ju)接收(shou)有誤(wu)。主設(she)備則(ze)重新發命(ming)令(ling)幀，從而(er)保證通(tong)信可靠。
　　在對(dui)命令幀響(xiang)應之前(qian)先要将(jiang)該幀拆分，即首(shou)先判(pan)斷(duan)該幀前(qian)導碼是否(fou)正确(que)，每接(jie)收一(yi)個前(qian)導碼，計(ji)數(shu)器加(jia)1,再接收定(ding)界符(fu)，若爲有(you)效的定(ding)界符(fu)且前(qian)導碼計數(shu)器大于1,則(ze)爲HART幀的起(qi)始位(wei)置，根據(ju)定(ding)界符(fu)确定(ding)HART幀(zhen)的類型，若爲應(ying)答(da)幀或(huo)成組模式(shi)幀則(ze)終止接收服務(wu)，等待載(zai)波(bo)結束(shu);若爲(wei)請求幀，則(ze)确定幀格(ge)式，設(she)置接(jie)收長幀格(ge)式或短(duan)幀格式地址(zhi)計數值，短(duan)幀格式地(di)址接收1個(ge)字節,長幀(zhen)格式(shi)地址接收(shou)5個字節(jie)。再接收(shou)命令号,數(shu)據字(zi)節長(zhang)度字節，若(ruo)數據字(zi)節(jie)長度字節出現(xian)奇偶(ou)校驗(yan)錯誤(wu)則終止接(jie)收服務，等(deng)待載波(bo)結(jie)束;否則設(she)置數據字(zi)節長(zhang)度(du)計(ji)數器，每接(jie)收(shou)-一個數(shu)據字(zi)節(jie)，長(zhang)度計(ji)數器(qi)減1,最後接(jie)收水平校(xiao)驗和。若接(jie)收(shou)請(qing)求地(di)址匹(pi)配，對(dui)接收(shou)的HART幀(zhen)異或(huo)求水(shui)平校(xiao)驗和(he)，并與(yu)接收(shou)水平(ping)校驗(yan)和進(jin)行(hang)比較，相同則(ze)表(biao)示無通(tong)訊錯誤，否(fou)則置(zhi)水平校驗和錯(cuo)誤标志(zhi)爲(wei)1,結束(shu)接收(shou)服(fu)務并轉(zhuan)入HART命令(ling)執(zhi)行子(zi)程序(xu)。
五(wu)、結論
　　對(dui)研制(zhi)的智(zhi)能電(dian)磁流(liu)量(liang)計進行(hang)試驗表明:該流(liu)量計(ji)集成化程(cheng)度高、功能強、操(cao)作方(fang)便(bian)、性(xing)能可(ke)靠;具有自診斷(duan)、自檢定(ding)功能和(he)HART數據通(tong)訊(xun)功能(neng);可測(ce)正反兩個(ge)方向流(liu)量(liang)，也可測脈(mo)動流量;抗(kang)電磁幹擾(rao)和溫(wen)度性(xing)能好，适合(he)于現場測(ce)量和顯示(shi);測量範圍(wei)大,精度高。

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