HART協(xié)議在智能電磁流量計中的設(shè)計應(yīng)用

1.引言

HART，即Highway Addressable Remote Transducer，是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路的簡稱，最早由美國Rosemount公司開發(fā)并得到八十多家著名儀表公司的支持，其特點是在不干擾4～20mA模擬信號的同時允許雙向數(shù)字通訊。

符合HART協(xié)議的智能電磁流量計不僅可以實現(xiàn)各種流量的檢測和就地顯示，還可以通過上位計進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定，改變流量計的零點、量程，以及完成自診斷等功能，在很大程度上方便了流量計的使用和維護(hù)，因而具有較強(qiáng)的市場競爭力。[1]本文討論基于HART協(xié)議智能電磁流量計具體實現(xiàn)的技術(shù)問題，一是要解決硬件電路的設(shè)計問題，二是要討論實現(xiàn)HART協(xié)議命令集編程及上位機(jī)軟件的實現(xiàn)。

2 HART協(xié)議簡介

HART協(xié)議遵循ISO制訂的OSI開放式系統(tǒng)互連參考模型，采用了OSI模型的第一層、第二層和第七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

2.1物理層規(guī)范

HART協(xié)議采用美國電話通訊系統(tǒng)Bell202頻移鍵控(FSK)標(biāo)準(zhǔn)，在4～20mA的模擬±0.5mA的正弦波，波特率是1200bps.因為所疊加的正弦信號平均值為0，而且相位連續(xù)頻移鍵控技術(shù)要求在波特率為1200Hz的數(shù)據(jù)位1和0的邊界的相位角是連續(xù)的，所以數(shù)字通訊信號不會影響4～20mA的模擬信號。

2.2數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范[2][3]

這一部分協(xié)議規(guī)定了HART幀的格式，實現(xiàn)建立、維護(hù)、數(shù)據(jù)鏈路通訊功能，HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯碼信息，通過差錯檢測機(jī)制和采用自動重發(fā)請求協(xié)議(ARQ)，實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯傳送。

與協(xié)議相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸是以幀的形式實現(xiàn)的。幀是用戶控制和尋址信息對用戶數(shù)據(jù)的封裝，只有幀中的字節(jié)記數(shù)結(jié)束且經(jīng)過了差錯檢驗接收正確無誤或是物理層通知信號傳輸終止(如檢測不到載波)之后才可以進(jìn)行幀的識別。HART幀的格式如圖1所示。

PREAMBLE前導(dǎo)信號。

DELIM定界符：一個獨特的或是最容易識別的字符。

ADDR地址字節(jié)：包含了源地址和目的地址，最高位都用來表示與該幀相關(guān)的主設(shè)備的地址。

COM命令字節(jié)：表示現(xiàn)場儀表所要執(zhí)行的功能。

BYTE CORNT數(shù)據(jù)總長度：該值表示的是BYTE CORNT下一個字節(jié)到最后(不包括校驗字節(jié))的字節(jié)數(shù)。

DATA數(shù)據(jù)字節(jié)。

CHK奇偶校驗：縱向奇偶校驗。

在數(shù)據(jù)鏈路層中的HART協(xié)議是一種“主/從”協(xié)議。在從設(shè)備的應(yīng)答消息中除了已被接收的確認(rèn)命令，許多消息中還包含了主設(shè)備詢問的數(shù)據(jù)。HART協(xié)議允許系統(tǒng)中同時有兩個主設(shè)備運(yùn)行，一個基本主設(shè)備，一個副主設(shè)備。從設(shè)備根據(jù)兩個主設(shè)備不同的地址來向它們分發(fā)各自的應(yīng)答命令消息。

2.3應(yīng)用層規(guī)范[4]

規(guī)定了HART消息包中的3類命令，第一類是通用命令，適用于遵守HART協(xié)議的所有產(chǎn)品，為符合HART協(xié)議的設(shè)備提供功能描述;第二類是普通操作命令，適用于遵守HART協(xié)議的大部分產(chǎn)品;第三類是設(shè)備特殊命令，適用于遵守HART協(xié)議的特殊產(chǎn)品。

3基于HART協(xié)議的智能電磁流量計的硬件設(shè)計

帶有HART通訊協(xié)議的智能電磁流量計的硬件系統(tǒng)電路采用模塊化設(shè)計，主要包括傳感器模塊，MCU模塊、HART通訊模塊和人機(jī)界面模塊四個部分。

由單片機(jī)控制的低頻勵磁電流輸出到傳感器的勵磁線圈中，同時來自電磁流量傳感器的微小電勢信號經(jīng)前置放大后通過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路送入到單片機(jī)。單片機(jī)對這些信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析處理送至液晶顯示屏進(jìn)行瞬時流量和累積流量的顯示。同時單片機(jī)通過計算公式對得到的流量值進(jìn)行補(bǔ)償，將補(bǔ)償后的流量信號通過HART通訊模塊實現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊。

3.1 HART通訊模塊設(shè)計

HT2012芯片用來實現(xiàn)HART協(xié)議中通訊信號的解調(diào)及調(diào)制過程。圖2為調(diào)制解調(diào)器與微處理器的連接。

HART信號的解調(diào)過程：由帶通濾波器輸出的脈沖信號進(jìn)入HT2012后，調(diào)制解調(diào)器分別將脈沖信號中的1200Hz和2200Hz解調(diào)為數(shù)字1和0，再將數(shù)字信號由HT2012的ORXD端口輸出，CPU對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

圖2 HART接口電路3.2 HT2012與外部接口

HART數(shù)字信號規(guī)范是峰值為1mA、平均值為0mA正弦交流電流信號，此信號經(jīng)線路阻抗轉(zhuǎn)化為正弦交流電壓信號，而HT2012輸入和輸出信號是0～5V的方波信號，因此在HT2012和外部的HART信號之間還需要有濾波電路和整形電路。

如圖3所示，由TLC27組成的濾波器是帶通濾波器，用來減少接收信號的噪聲干擾。濾波器還用來消除波形中的尖峰，從而使接收到的信號變得平緩。TLC37組成的數(shù)字方波產(chǎn)生回路把經(jīng)過TLC27濾波后的正弦波轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的方波，以便于HT2012接收。

如圖4所示，緩沖器74HC126的作用是使方波的上升沿和下降沿趨于平緩，使信號滿足HART物理層規(guī)范所要求的信號波形上升沿和下沿的時要求，因為較平緩的上升沿和下降沿時間可以降低與其它網(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_。

HT2012需要外部提供460.8kHz的時鐘信號，且要求時鐘頻率的誤差是±0.1%，若直接入一個460.8kHz的晶振不僅會引起系統(tǒng)功耗的增加，而且該晶振屬于非標(biāo)準(zhǔn)晶振，需專門定制。為了解決這一問題，在系統(tǒng)中采用一片1.8432MHz的晶振以產(chǎn)生時鐘信號，再經(jīng)分頻器CD4013進(jìn)行4分頗，可輸出1.8432MHz /4=460.8kHz的分頻信號供HT2012使用。

AD421其內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器與外部的場效應(yīng)管DN25D對輸入到AD421的電壓進(jìn)行調(diào)整，可提供+3.3V電壓作為其他設(shè)備的電源。HART發(fā)出的FSK信號，經(jīng)過一個電容耦合送到AD421中，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的±0.5mA正弦電流信號，實現(xiàn)電壓信號到電流信號的轉(zhuǎn)換，同時，疊加在4～20mA的電流上送給接收設(shè)備，實現(xiàn)了HART協(xié)議的信息的交換。本電路耦合電容取為0. 0033μF.

4 HART通訊協(xié)議的軟件實現(xiàn)

4.1智能電磁流量計串口中斷程序[5]

在串行口中斷服務(wù)程序中，首先保護(hù)現(xiàn)場，然后判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷，若為接收中斷則執(zhí)行接收服務(wù)子程序，否則執(zhí)行發(fā)送服務(wù)子程序。中斷處理結(jié)束后，恢復(fù)現(xiàn)場并返回系統(tǒng)主程序。HART通信采用水平和垂直校驗的方法。當(dāng)檢測到接收數(shù)據(jù)有差錯時，則等到主設(shè)備命令幀發(fā)完后，通知主設(shè)備數(shù)據(jù)接收有誤。主設(shè)備則重新發(fā)命令幀，從而保證通信的準(zhǔn)確可靠。HART串口中斷子程序流程圖如圖5所示。

圖5串口中斷程序4.2 HART命令拆分子程序[6][7]

在對命令幀響應(yīng)之前先要將該幀拆分，即首先判斷該幀前導(dǎo)碼是否正確，每接收一個前導(dǎo)碼，計數(shù)器加1.再接收定界符，若為有效的定界符且前導(dǎo)碼計數(shù)器大于1，則為HART幀的起始位置，根據(jù)定界符確定HART幀的類型，若為應(yīng)答幀或成組模式幀則終止接收服務(wù)，等待載波結(jié)束;若為請求幀，則確定幀格式，設(shè)置接收長幀格式或短幀格式地址計數(shù)值，短幀格式地址接收1個字節(jié)，長幀格式地址接收5個字節(jié)。再接收命令號，數(shù)據(jù)字節(jié)長度字節(jié)，若數(shù)據(jù)字節(jié)長度字節(jié)出現(xiàn)奇偶校驗錯誤則終止接收服務(wù)，等待載波結(jié)束;否則設(shè)置數(shù)據(jù)字節(jié)長度計數(shù)器，每接收一個數(shù)據(jù)字節(jié)，長度計數(shù)器減1，最后接收水平校驗和。若接收請求地址匹配，對接收的HART幀異或求水平校驗和，并與接收水平校驗和進(jìn)行比較，相同則表示無通訊錯誤，否則置水平校驗和錯誤標(biāo)志為1，結(jié)束接收服務(wù)并轉(zhuǎn)入HART命令執(zhí)行子程序。命令幀拆分程序流程如圖6所示。

圖6 HART命令幀拆分程序流程圖

5結(jié)論

對研制的智能電磁流量計進(jìn)行試驗表明：該流量計集成化程度高、功能強(qiáng)、操作方便、性能可靠;具有自診斷、自檢定功能和HART數(shù)據(jù)通訊功能;可測正反兩個方向流量，也可測脈動流量;抗電磁干擾和溫度性能好，適合于現(xiàn)場測量和顯示;測量范圍大，準(zhǔn)確度高。