摘(zhāi)要:現場(chǎng)總線控(kong)制系統(tong)代表了(le)工業控(kòng)制系統(tong)向分散(san)化🌏、網⁉️絡(luò)化、智能(neng)化發展(zhan)的方向(xiang).爲構建(jian)現場總(zǒng)線型工(gōng)業💜測控(kong)系統,要(yao)求系統(tong)中所有(you)儀表都(dōu)應具有(you)現場總(zong)線功能(néng).其中,HART總(zong)線技術(shu)在電磁(cí)流量儀(yi)表中應(yīng)用最🌈爲(wèi)廣泛,本(běn)文在對(dui)HART協議進(jìn)行詳細(xi)分析的(de)👌基礎上(shàng),重點介(jiè)紹了系(xì)統設計(jì)結構以(yǐ)及HART協議(yi)在智能(néng)電磁流(liú)量計 中(zhong)的軟硬(ying)件實.現(xian)方法.測(cè)試結果(guo)表明,該(gāi)設計滿(man)足現場(chǎng)實際💞要(yao)求,達到(dao)了設計(ji)目的.
　　HART,即(jí)HighwayAddressableRemoteTransdueer是可尋(xun)址遠程(chéng)傳感器(qì)高速公(gōng)路的簡(jian)稱,其特(te)點是✔️在(zài)不幹擾(rǎo)4~20mA模拟信(xin)号的同(tong)時允許(xu)雙向數(shù):字通訊(xùn)✍️.符合HART協(xie)議的智(zhì)能電磁(cí)流量計(ji)不僅可(kě)以實現(xian)各種流(liu)量的✍️檢(jian)測和💜就(jiù)地顯示(shi),還可以(yi)通過上(shang)位機進(jìn)行遠程(cheng)設定,改(gai)變流量(liàng)計的零(ling)點.量程(cheng),以及🚩完(wán)成自診(zhěn)㊙️斷等功(gōng)能,在很(hěn)大程度(dù)上方便(bian)了流量(liàng)🔞計的使(shi)用和維(wéi)護,因而(ér)具🈚有較(jiao)強的市(shì)場競争(zheng)力L-31.本文(wén)讨論基(ji)于HART協議(yì)智能🌐電(dian)磁流🤩量(liang)計具體(tǐ)實現的(de)技術問(wèn)題,一.是(shì)⛷️要🧡解決(jué)硬件電(dian)路的🆚設(shè)計問題(ti),二是要(yào)讨論實(shí)現HART協👈議(yi)命令集(ji)編程及(ji)上位機(jī)軟件🏒的(de)實現.
1HART協(xié)議簡介(jie)
　　HART協議遵(zūn)循ISO制訂(ding)的OSI開放(fàng)式系統(tong)互連參(cān)考模型(xíng),采用了(le)OSI模型的(de)第一層(céng)、第二層(céng)和第七(qī)層,即物(wu)理層、數(shù)據鏈路(lù)層和應(ying)用層.
1.1物(wu)理層規(guī)範
　　HART協議(yi)采用美(mei)國電話(huà)通訊系(xi)統Bel202頻.移(yi)鍵控(FSK)标(biāo)準,在4~20mA的(de)🌈模拟Q5mA的(de)正弦波(bō),波特率(lü)是1200bps因爲(wèi)所疊加(jiā)的正弦(xián)信号平(píng)均值爲(wei)0而且相(xiang)位連續(xu)頻移鍵(jiàn)控技術(shù)要求在(zài)波特率(lǜ)爲1200Hz的數(shù)據位1和(hé)0的邊界(jiè)的相位(wèi)角是連(lián)續的,所(suo)以數字(zi)通訊信(xin)号不會(hui)影響4~20mA的(de)模拟信(xin)号.
1.2數據(ju)鏈路層(céng)規範
　　這(zhe)一部分(fen)協議規(guī)定了HART幀(zhen)的格式(shi),實現建(jian)立、維護(hù)、終結鏈(lian)路🈚通訊(xun)功能,HART協(xié)議根據(ju)冗餘檢(jiǎn)錯碼信(xin)息,通過(guo)差錯檢(jian)測🔴機制(zhi)🚶和采用(yong)自動重(zhong)發請求(qiú)協議(ARQ),實(shi)現通訊(xùn)數據💃無(wú)差錯傳(chuán)送.
　　與協(xie)議相關(guan)的實體(ti)間的數(shu)據傳輸(shū)是以幀(zhen)的形式(shi)實現的(de).幀是用(yòng)戶控制(zhi)和尋址(zhǐ)信息對(duì)用戶數(shu)據的封(fēng)裝,隻有(yǒu)幀中😄的(de)字節記(ji)數結束(shu)且經過(guò)了差錯(cuo)檢驗接(jiē)收正确(què)無🏃誤或(huò)是🏃物理(li)層🏃‍♀️通知(zhi)信号傳(chuán)輸終止(zhǐ)(如檢測(ce)不到載(zai)波)之後(hòu)才可以(yi)進行幀(zhēn)的識别(bié).HART幀的格(ge)式如圖(tu)1所示.
 
●PREAMBLE前(qian)導信号(hao):實際上(shang)是同步(bù)信号,各(ge)通訊設(shè)備可以(yǐ)據此略(luè)做🧑🏽‍🤝‍🧑🏻調整(zhěng),保證信(xìn)息的同(tóng)步.
●DELM定界(jiè)符:一個(gè)獨特的(de)或是最(zuì)容易識(shi)别的字(zi)符.最高(gao)位規定(ding)幀的尋(xun)址信息(xi)分爲長(zhǎng)格式或(huo)短格式(shì),低3位定(dìng)義了幀(zhēn)的類型(xíng).
●ADDR地址字(zi)節:包含(han)了源地(dì)址和目(mu)的地址(zhi),最高位(wèi)都用來(lái)表示與(yǔ)該幀相(xiàng)關的主(zhǔ)設備的(de)地址.“1”表(biǎo)示基本(ben)主設備(bèi)⭐;“0”表示副(fu)主設備(bei)💛.
●COM命令字(zì)節:表示(shì)現場儀(yi)表所要(yao)執行的(de)功能,範(fan)圍爲255個(gè).
●BYTECORNT數據總(zong)長度:該(gai)值表示(shì)的是BYTECORNT下(xia)一個字(zi)節到最(zui)後(不包(bao)括校🔞驗(yàn)字㊙️節)的(de)字節數(shu).
●DATA數據字(zi)節:傳送(sòng)用戶數(shu)據和響(xiǎng)應數據(jù),但不是(shì)每個幀(zhen)中都會(huì)包含數(shù)據.
●CHK奇偶(ǒu)校驗:方(fang)式是縱(zòng)向奇偶(ou)校驗.
　　在(zài)數據鏈(liàn)路層中(zhong)的HART協議(yì)是一種(zhong)“主從”協(xié)議,即由(you)主設備(bei)産生消(xiāo)㊙️息,而從(cóng)設備隻(zhi)在接收(shou)到發送(song)給它的(de)消息後(hou)才做出(chū)♈應答.在(zai)從設備(bèi)的應答(dá)消息中(zhong)除了🌂已(yi)被接收(shōu)的确認(ren)命令,許(xu)多消息(xī)中還📞包(bāo)含了主(zhǔ)設備詢(xun)問的數(shu)據.HART協議(yi)🈲允許系(xi)統中同(tong)時有🍉兩(liǎng)個主設(she)備運行(háng),一個基(jī)本主設(shè)備,一個(gè)副主設(she)備.從設(shè)備根據(ju)兩個主(zhǔ)設💞備不(bú)同的地(dì)址來向(xiang)它們分(fèn)發各自(zì)的應答(da)命令消(xiao)息.
　　實際(jì)上在智(zhi)能現場(chǎng)設備與(yǔ)中央控(kong)制或監(jiān)測設備(bèi)的信息(xi)往返通(tōng)訊,根據(jù)傳輸信(xin)号的不(bu)同,可以(yǐ)分爲🔆以(yǐ)下3種通(tong)訊模式(shì):模拟模(mo)式、模拟(ni)+數字模(mo)式和廣(guang)播(全數(shù)字)模式(shì).
1.3應用層(céng)規範
　　HART協(xié)議中包(bao)含三類(lei)命令:第(dì)一類爲(wei)通用命(ming)令印l,适(shi)用于遵(zūn)守HART協議(yì)的所有(you)産品,符(fu)合HART協議(yì)的設備(bèi)提供功(gōng)能描💯述(shù);第二類(lèi)🌈爲普通(tōng)操作命(mìng)令,适用(yòng)于遵守(shǒu)HART協議的(de)大部分(fen)産品㊙️,當(dāng)設備⭐具(ju)有某些(xie)功能🐅時(shi),該命令(lìng)用于對(dui)這些♍功(gōng)能的描(miáo)述;第三(san)類🏃‍♀️爲設(she)備特殊(shū)命令,适(shi)🔞用于遵(zun)守HART協議(yì)的特殊(shu)産品,提(ti)供一些(xiē)特殊的(de)功能描(miáo)述命令(ling).HART協.議對(dui)于廠家(jiā)生産的(de)具有特(te)殊功能(neng)的産品(pin)還提供(gòng)了設☂️備(bèi)描述語(yu)言DDL以确(que)保互操(cāo)作性.
2基(ji)于HART協議(yi)的智能(néng)電磁流(liu)量計的(de)硬件設(she)計
　　帶有(yǒu)HART通訊協(xié)議的智(zhì)能電磁(ci)流量計(ji)的硬件(jian)系統電(diàn)🥰路采用(yòng)模塊化(hua)設計,主(zhu)要包括(kuò)傳感器(qi)模塊、MCU模(mó)塊.HART通訊(xùn)模塊和(he)人機界(jie)面模塊(kuài)4個部分(fèn).
　　由單片(piàn)機控制(zhi)的低頻(pin)勵磁電(dian)流輸出(chu)到傳感(gǎn)器的勵(lì)🌈磁線圈(quan)中,同時(shí)來自電(dian)磁流量(liang)傳感器(qì)的微小(xiǎo)電勢信(xin)号經前(qian)置✏️放大(dà)後通過(guo)AD模數轉(zhuǎn)換電路(lù)送入到(dào)🔴單片機(jī).單片機(jī)♋對這些(xie)信号進(jìn)❤️行數據(ju)采集,分(fèn)析處理(lǐ)送至液(yè)晶顯示(shì)屏進行(háng)瞬時👈流(liu)量和累(lèi)積流量(liang)的♻️顯示(shi).同時單(dān)☎️片機通(tong)過計算(suàn)公式對(duì)得到的(de)流量值(zhí)進行補(bu)償,将補(bu)償後的(de)流量信(xin)号通過(guo)HART通訊模(mó)塊實現(xiàn)與上位(wèi)機的遠(yuan)✂️程通訊(xùn)✉️.
2.1HART通訊模(mó)塊設計(ji)
　　HT2012芯片用(yòng)來實現(xian)HART協議中(zhōng)通訊信(xìn)号的解(jie)調及調(diao)制過程(cheng).圖2爲調(diào)制解調(diào)器與微(wēi)處理器(qi)的連接(jiē).
 
　　HART信号的(de)解調過(guò)程:由帶(dai)通濾波(bō)器輸出(chu)的脈沖(chong)信号進(jin)入HT2012後,調(diao)制解調(diào)器分别(bié)将脈沖(chong)信号中(zhōng)的1200Hz和2200Hz解(jiě)調爲數(shù)字1和0再(zai)将數字(zi)⭐信号由(you)HT2012的ORXD端口(kou)輸出,CPU對(dui)接收到(dao)💋的數據(ju)進行判(pàn)斷并執(zhí)行相應(ying)的任務(wu).
2.2HT2012與外部(bu)接口.
　　HART數(shu)字信号(hào)規範是(shi)峰值爲(wèi)1mA、平均值(zhí)爲0mA正弦(xián)交流電(diàn)流信号(hào),此🍉信💰号(hào)經線路(lù)阻抗轉(zhuan)化爲正(zhèng)弦交流(liu)電壓信(xìn)号,而HT2012輸(shu)入和輸(shū)出信💛号(hào)是0~5V的方(fāng)波信号(hào),因此在(zài)HT2012和外部(bù)的HART信号(hao)之間還(hai)需要㊙️有(you)濾波電(diàn)路和整(zheng)形電路(lu).
　　如圖3所(suǒ)示,由TLC27組(zu)成的濾(lǜ)波器是(shì)帶通濾(lü).波器,用(yong)來減少(shǎo)接收信(xin)🔱号的噪(zào)聲幹擾(rao).濾波器(qì)還用來(lai)消除波(bo)形中的(de)❄️尖峰,從(cong)而使接(jie)收到🌐的(de)信号變(biàn)得平緩(huǎn).TLC37組成的(de)數字方(fang)🏃🏻‍♂️波産生(shēng)回路把(ba)經過TLC27濾(lü)🌈波後的(de)正弦波(bō)轉變成(cheng)相應的(de)方波,以(yǐ)便于HT2012接(jiē)收.
 
　　如圖(tu)4所示,緩(huan)沖器74HC126的(de)作用是(shì)使方波(bo)的.上升(sheng)沿和下(xia)降沿趨(qu)于平緩(huǎn),使信号(hào)滿足HART物(wu)理層規(gui)範所要(yao)求的信(xin)号波形(xing)上升🈲沿(yan)和下沿(yán)的時要(yao)求,因爲(wei)較平緩(huǎn)的🔆上升(sheng)沿和'下(xià)降沿時(shí)間可以(yi)降低與(yǔ)其它網(wang)絡間的(de)串擾.
 
　　HT2012需(xū)要外部(bù)提供4608kHz的(de)時鍾信(xin)号,且要(yào)求時鍾(zhong)頻率的(de)誤差是(shì)Q1%,若直接(jiē)入一個(gè)4608kHz的晶振(zhen)不僅會(hui)引起系(xi)統功耗(hao)✍️的增加(jia),而且該(gai)晶振屬(shu)于非标(biao)準晶振(zhèn),需專門(men)定制.爲(wei)了解決(jué)這一問(wèn)題,在系(xi)統中采(cǎi)用一片(piàn)1.8432MHz的晶振(zhèn)以産生(shēng)時鍾⛱️信(xin)号,再經(jing)🐪分頻器(qì)CD4013進行4分(fèn)頗,可📐輸(shū)出1.8432MHz4=4608kHz的分(fèn)頻信号(hào)供HT2012使用(yòng).
　　AD421其内部(bù)的電壓(ya)調節器(qi)與外部(bu)的場效(xiao)應管DN25D對(duì)輸入到(dao)🎯AD421的電壓(yā)進行調(diào)整,可提(tí)供十33V電(diàn)壓作爲(wèi)其他設(shè)備的電(dian)💰源.HART發出(chu)的FSK信号(hao),經過一(yi)個電容(rong)耦合送(song)到AD421中,轉(zhuan)♍換成相(xiang)應的0.5mA正(zhèng)弦電流(liú)信号,實(shi)現電壓(yā)信号到(dào)電流信(xin)号的轉(zhuǎn)🐆換,同時(shi),疊加在(zài)4~20mA的電流(liú).上送給(gěi)接收設(she)備,實現(xian)了HART協議(yì)的信息(xī)的交換(huàn).本電路(lu)耦合電(dian)容取爲(wei)🐪0.0033HE,如圖5所(suǒ)示.
 
3HART通訊(xun)協議的(de)軟件實(shi)現
3.1智能(néng)電磁流(liú)量計串(chuan)口中斷(duan)程序
　　在(zai)HART通信中(zhong),智能電(diàn)磁流量(liang)計作爲(wèi)從設備(bei).進行通(tōng)訊⭐,所以(yi)這裏的(de)軟件設(she)計隻是(shì)針對于(yú)從設備(bèi).HART通信采(cǎi)用水平(píng)和垂直(zhi)校驗的(de)方法.當(dāng)檢測到(dao)接收數(shu)據有差(chà)錯時,則(zé)等到🐉主(zhu)設備命(mìng)令幀💋發(fa)完後,通(tong)知主設(shè)備數據(jù)接收有(you)誤.主設(she)備則重(zhòng)新發命(mìng)令幀,從(cong)而保證(zhèng)通信的(de)正确可(kě)靠.HART中斷(duan)子程序(xù)流程圖(tú)如圖6所(suo)示.
　　由于(yu)HART通信爲(wèi)主從方(fāng)式,HART幀中(zhōng)每個字(zi)節在物(wù)理層傳(chuan)輸需要(yào)9ms左㊙️右,爲(wèi)了保證(zhèng)通訊的(de)實時性(xing),通訊程(chéng)序采用(yong)串🏃行口(kǒu)終端接(jiē)收發送(sòng).該中斷(duàn)所要完(wan)成通信(xìn)中的主(zhu)要任務(wù),即接收(shōu)和發送(sòng)幀,幀的(de)拆分和(hé)打包.
 
3.2上(shang)位機軟(ruǎn)件數據(jù)采集程(chéng)序
1)形成(cheng)讀流量(liàng)計長幀(zhen)地址命(ming)令字:5個(ge)FF前導碼(mǎ);起始字(zi)符㊙️爲02(采(cai)用🛀🏻短幀(zhēn)格式時(shí),主設備(bei)向從設(shè)備發送(song));地址爲(wei)00(輪循地(dì)址);命令(ling)字是00(讀(du)變送器(qi)标識命(mìng)令字節(jie)數);無數(shù)據
2)追加(jia)校驗和(hé):采用異(yì)或邏輯(jí)運算求(qiú)校驗和(hé)追加在(zài)字節數(shù)後,形成(chéng)完整命(ming)令.
3)按異(yì)步串行(háng)通信方(fāng)式發送(song)命令并(bìng)接收從(cong)設備回(hui)🌈答的信(xìn)息.
4)從回(hui)答的信(xin)息中提(ti)取流量(liàng)計長幀(zhēn)地址.
5)形(xíng)成讀流(liu)量計其(qí)他數據(ju)命令:5個(ge)FF前導碼(mǎ);起始字(zi)符爲82(采(cai)用長幀(zhēn)格式時(shi),主設備(bei)向從設(she)備發送(sòng));地址爲(wei)流量計(jì)長幀地(di)址;命🏃‍♀️令(lìng)字、字節(jiē)數和數(shu)據略;采(cai)用異或(huo)邏輯運(yùn)算求🚶‍♀️校(xiào)驗和,追(zhui)加在字(zì)節數🌈後(hou),形成完(wan)整命令(lìng).
4結論
　　對(duì)研制的(de)智能電(diàn)磁流量(liang)計進行(hang)試驗表(biǎo)明:該流(liú).量計集(jí)成化程(chéng)度高、功(gōng)能強、操(cao)作方便(bian)、性能可(kě)靠;具有(you)自診💜斷(duàn)、自檢定(ding)功能😄和(he)HART數據通(tōng)訊功能(neng);可測正(zheng)反兩個(ge)方向流(liu)量,也可(ke)測脈動(dong)流量;抗(kang)電磁幹(gàn)擾和溫(wēn)度㊙️性能(neng)好,适合(he)于現場(chang)測量和(hé)顯示;測(ce)量範圍(wei)大,精度(du)高.

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