HART協(xié)議在智能電磁流量計(jì)中的實(shí)現(xiàn)

HART協(xié)議在智能電磁流量計(jì)中的實(shí)現(xiàn)
   摘.. 要: 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)代表了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向. 為構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)總線型工業(yè)測(cè)控系統(tǒng), 要求系統(tǒng)中所有儀表都應(yīng)具有現(xiàn)場(chǎng)總線功能. 其中, HART 總線技術(shù)在電磁流量?jī)x表中應(yīng)用廣泛, 本文在對(duì)HART協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上, 重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及HART 協(xié)議在智能電磁流量計(jì)中的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法. 測(cè)試結(jié)果表明, 該設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求, 達(dá)到了設(shè)計(jì)目的.
   關(guān)鍵詞: HART協(xié)議; HT2012; 幀格式
   是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路的簡(jiǎn)稱, 由美國(guó)Rosemount公司開(kāi)發(fā)并得到八十多家儀表公司的支持, 其特點(diǎn)是在不干擾4~ 20mA模擬信號(hào)的同時(shí)允許雙向數(shù)字通訊. 符合HART協(xié)議的智能電磁流量計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)各種流量的檢測(cè)和就地顯示, 還可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定, 改變流量計(jì)的零點(diǎn)、量程, 以及完成自診斷等功能, 在很大程度上方便了流量計(jì)的使用和維護(hù), 因而具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[ 1- 3] . 本文討論基于HART 協(xié)議智能電磁流量計(jì)具體實(shí)現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題, 一是要解決硬件電路的設(shè)計(jì)問(wèn)題, 二是要討論實(shí)現(xiàn)HART 協(xié)議命令集編程及上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn).
   1.. HART 協(xié)議簡(jiǎn)介
   HART 協(xié)議遵循ISO 制訂的OSI 開(kāi)放式系統(tǒng)互連參考模型, 采用了OSI模型的層、第二層和第七層, 即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層.
   1. 1.. 物理層規(guī)范
   HART 協(xié)議采用美國(guó)電話通訊系統(tǒng)B ell202頻移鍵控( FSK )標(biāo)準(zhǔn), 在4~ 20mA 的模擬0. 5 mA 的正弦波, 波特率是1 200 bps. 因?yàn)樗B加的正弦信號(hào)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1 200H z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(hào)不會(huì)影響4~ 20 mA 的模擬信號(hào).
   1. 2.. 數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范
   這一部分協(xié)議規(guī)定了HART 幀的格式, 實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通訊功能, HART 協(xié)議根據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息, 通過(guò)差錯(cuò)檢測(cè)機(jī)制和采用自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求協(xié)議( ARQ) , 實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)傳送[ 4] . 與協(xié)議相關(guān)的實(shí)體間的數(shù)據(jù)傳輸是以幀的形式實(shí)現(xiàn)的. 幀是用戶控制和尋址信息對(duì)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(guò)了差錯(cuò)檢驗(yàn)接收正確無(wú)誤或是物理層通知信號(hào)傳輸終止(如檢測(cè)不到載波)之后才可以進(jìn)行幀的識(shí)別. HART 幀的格式如圖1所示. 圖1.. HART 幀的格Fig. 1.. HART frame format .. PREAMBLE 前導(dǎo)信號(hào): 實(shí)際上是同步信號(hào), 各通訊設(shè)備可以據(jù)此略做調(diào)整, 保證信息的同步. .. DEL IM 定界符: 一個(gè)的或是最容易識(shí)別的字符. 位規(guī)定幀的尋址信息分為長(zhǎng)格式或短格式, 低3位定義了幀的類型. .. ADDR 地址字節(jié): 包含了源地址和目的地址, 位都用來(lái)表示與該幀相關(guān)的主設(shè)備的地址. .. 1..表示基本主設(shè)備; .. 0..表示副主設(shè)備. .. COM 命令字節(jié): 表示現(xiàn)場(chǎng)儀表所要執(zhí)行的功能, 范圍為255個(gè). .. BYTE CORNT 數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度: 該值表示的是BYTE CORNT下一個(gè)字節(jié)到最后(不包括校驗(yàn)字節(jié)) 的字節(jié)數(shù). .. DATA 數(shù)據(jù)字節(jié): 傳送用戶數(shù)據(jù)和響應(yīng)數(shù)據(jù), 但不是每個(gè)幀中都會(huì)包含數(shù)據(jù). .. CHK 奇偶校驗(yàn): 方式是縱向奇偶校驗(yàn). 在數(shù)據(jù)鏈路層中的HART 協(xié)議是一種.. 主/從.. 協(xié)議, 即由主設(shè)備產(chǎn)生消息, 而從設(shè)備只在接收到發(fā)送給它的消息后才做出應(yīng)答. 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(wèn)的數(shù)據(jù). HART 協(xié)議允許系統(tǒng)中同時(shí)有兩個(gè)主設(shè)備運(yùn)行, 一個(gè)基本主設(shè)備, 一個(gè)副主設(shè)備. 從設(shè)備根據(jù)兩個(gè)主設(shè)備不同的地址來(lái)向它們分發(fā)各自的應(yīng)答命令消息. 實(shí)際上在智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制或監(jiān)測(cè)設(shè)備的信息往返通訊, 根據(jù)傳輸信號(hào)的不同, 可以分為以下3種通訊模式: 模擬模式、模擬+ 數(shù)字模式和廣播(全數(shù)字)模式.
   1. 3.. 應(yīng)用層規(guī)范
   HART協(xié)議中包含三類命令: 類為通用命令[ 5] , 適用于遵守HART 協(xié)議的所有產(chǎn)品, 符合HART協(xié)議的設(shè)備提供功能描述; 第二類為普通操作命令, 適用于遵守HART 協(xié)議的大部分產(chǎn)品, 當(dāng)設(shè)備具有某些功能時(shí), 該命令用于對(duì)這些功能的描述; 第三類為設(shè)備特殊命令, 適用于遵守HART 協(xié)議的特殊產(chǎn)品, 提供一些特殊的功能描述命令. HART協(xié)議對(duì)于廠家生產(chǎn)的具有特殊功能的產(chǎn)品還提供了設(shè)備描述語(yǔ)言DDL, 以確保互操作性.
   2.. 基于HART 協(xié)議的智能電磁流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì)
    帶有HART 通訊協(xié)議的智能電磁流量計(jì)的硬件系統(tǒng)電路采用模塊化設(shè)計(jì), 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4個(gè)部分. 由單片機(jī)控制的低頻勵(lì)磁電流輸出到傳感器的勵(lì)磁線圈中, 同時(shí)來(lái)自電磁流量傳感器的微小電勢(shì)信號(hào)經(jīng)前置放大后通過(guò)AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路送入到單片機(jī). 單片機(jī)對(duì)這些信號(hào)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(shí)流量和累積流量的顯示. 同時(shí)單片機(jī)通過(guò)計(jì)算公式對(duì)得到的流量值進(jìn)行補(bǔ)償, 將補(bǔ)償后的流量信號(hào)通過(guò)HART通訊模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊.
    2. 1.. HART通訊模塊設(shè)計(jì)
    HT2012芯片用來(lái)實(shí)現(xiàn)HART 協(xié)議中通訊信號(hào)的解調(diào)及調(diào)制過(guò)程. 圖2為調(diào)制解調(diào)器與微處理器的連接. 圖2.. HART接口電路F ig. 2.. The interface circuit ofHART HART信號(hào)的解調(diào)過(guò)程: 由帶通濾波器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)入HT2012后, 調(diào)制解調(diào)器分別將脈沖信號(hào)中的1 200Hz和2 200H z解調(diào)為數(shù)字1和0, 再將數(shù)字信號(hào)由HT2012的ORXD 端口輸出, CPU 對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù).
   2. 2.. HT2012與外部接口
   HART 數(shù)字信號(hào)規(guī)范是峰值為1 mA、平均值為0 mA正弦交流電流信號(hào), 此信號(hào)經(jīng)線路阻抗轉(zhuǎn)化為正弦交流電壓信號(hào), 而HT2012 輸入和輸出信號(hào)是0~ 5 V的方波信號(hào), 因此在HT2012 和外部的HART 信號(hào)之間還需要有濾波電路和整形電路[ 6 ] . 如圖3所示, 由TLC27 組成的濾波器是帶通濾波器, 用來(lái)減少接收信號(hào)的噪聲干擾. 濾波器還用來(lái)消除波形中的尖峰, 從而使接收到的信號(hào)變得平緩. TLC 37 組成的數(shù)字方波產(chǎn)生回路把經(jīng)過(guò)TLC27 濾波后的正弦波轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的方波, 以便于HT2012 接收. 圖3.. 帶通濾波電路Fig. 3.. Input bandpass flitter 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(hào)滿足HART 物理層規(guī)范所要求的信號(hào)波形上升沿和下沿的時(shí)要求, 因?yàn)檩^平緩的上升沿和下降沿時(shí)間可以降低與其它網(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_. 圖4.. HART整形電路Fig. 4.. Output bandpass f litter HT2012需要外部提供460. 8 kH z的時(shí)鐘信號(hào), 且要求時(shí)鐘頻率的誤差是0. 1% , 若直接入一個(gè)460. 8 kH z的晶振不僅會(huì)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(mén)定制. 為了解決這一問(wèn)題, 在系統(tǒng)中采用一片1. 8432MH z的晶振以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào), 再經(jīng)分頻器CD4013 進(jìn)行4分頗, 可輸出1. 8432MH z /4= 460. 8 kH z的分頻信號(hào)供HT2012 使用.AD421其內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器與外部的場(chǎng)效應(yīng)管DN25D對(duì)輸入到AD421的電壓進(jìn)行調(diào)整, 可提供+ 3. 3 V電壓作為其他設(shè)備的電源. HART 發(fā)出的FSK 信號(hào), 經(jīng)過(guò)一個(gè)電容耦合送到AD421中, 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的0. 5mA 正弦電流信號(hào), 實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)到電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換, 同時(shí), 疊加在4 ~ 20 mA 的電流上送給接收設(shè)備, 實(shí)現(xiàn)了HART協(xié)議的信息的交換. 本電路耦合電容取為0. 003 3 ..F, 如圖5所示. 圖5.. AD421輸出4~ 20 mA環(huán)路電流Fig. 5.. Interrupt program
   3.. HART 通訊協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)
   3. 1.. 智能電磁流量計(jì)串口中斷程序
   在HART通信中, 智能電磁流量計(jì)作為從設(shè)備進(jìn)行通訊, 所以這里的軟件設(shè)計(jì)只是針對(duì)于從設(shè)備. HART通信采用水平和垂直校驗(yàn)的方法. 當(dāng)檢測(cè)到接收數(shù)據(jù)有差錯(cuò)時(shí), 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 中斷子程序流程圖如圖6所示. 由于HART 通信為主從方式, HART 幀中每個(gè)字節(jié)在物理層傳輸需要9 ms左右, 為了保證通訊的
實(shí)時(shí)性, 通訊程序采用串行口終端接收/發(fā)送. 該中斷所要完成通信中的主要任務(wù), 即接收和發(fā)送幀, 幀的拆分和打包[ 7] .圖6.. HART中斷程序Fig. 6.. HART interrupt program
   3. 2.. 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)采集程序
  1)形成讀流量計(jì)長(zhǎng)幀地址命令字: 5個(gè)FF前導(dǎo)碼; 起始字符為02(采用短幀格式時(shí), 主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送) ; 地址為00(輪循地址) ; 命令字是00(讀變送器標(biāo)識(shí)命令字節(jié)數(shù)) ; 無(wú)數(shù)據(jù)
   2)追加校驗(yàn)和: 采用異或邏輯運(yùn)算求校驗(yàn)和追加在字節(jié)數(shù)后, 形成完整命令.
  3)按異步串行通信方式發(fā)送命令并接收從設(shè)備回答的信息.
  4)從回答的信息中提取流量計(jì)長(zhǎng)幀地址.
  5)形成讀流量計(jì)其他數(shù)據(jù)命令: 5 個(gè)FF 前導(dǎo)碼; 起始字符為82(采用長(zhǎng)幀格式時(shí), 主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送) ; 地址為流量計(jì)長(zhǎng)幀地址; 命令字、字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)略; 采用異或邏輯運(yùn)算求校驗(yàn)和, 追加在字節(jié)數(shù)后, 形成完整命令.
  6)按異步串行通信方式發(fā)送命令并接收儀器回答的信息.
  7)從回答的信息中提取流量計(jì)數(shù)據(jù). 以后再讀取流量計(jì)的數(shù)據(jù)時(shí), 只進(jìn)行( 5) ~ ( 7) 步即可. 流程圖見(jiàn)圖7所示. 圖7.. 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)采集流程圖F ig. 7.. F low chart of positionmachine software for data co llecting
   4.. 結(jié).. 論
   對(duì)研制的智能電磁流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)表明: 該流量計(jì)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(cè)正反兩個(gè)方向流量, 也可測(cè)脈動(dòng)流量; 抗電磁干擾和溫度性能好, 適合于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和顯示; 測(cè)量范圍大, 準(zhǔn)確度高. 參.. 考.. 文.. 獻(xiàn): [ 1] 陽(yáng)憲惠. 工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)[M ]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2003. [ 2] .. 丁.. 穎, 盛惠興. HART協(xié)議解析[ J] . 現(xiàn)代電子技術(shù), 2004( 1): 14- 17. [ 3] .. 鄔寬明. 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用選編1(上) [M ]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2003. [ 4] .. 孫廣軍. HART 現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議[ J] . 電子情報(bào), 2002 ( 3) : 66- 68. [ 5] .. Johnson D. Aybrid communicoation: a doser look atHART [ J]. Con trd Eng ine ring, 2000, 47( 11): 61- 62. [ 6] .. 衛(wèi).. 敏. 基于HART 協(xié)議的儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)--擴(kuò)展閱讀：開(kāi)封中儀流量?jī)x表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、v錐流量計(jì)、v型錐流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)、插入式電磁流量計(jì)、智能電磁流量計(jì)、分體式電磁流量計(jì)、一體式電磁流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)、長(zhǎng)徑噴嘴流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、插入式渦街流量計(jì)、智能渦街流量計(jì)、錐型流量計(jì)、v錐型流量計(jì)、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計(jì)、孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)的信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)開(kāi)封中儀網(wǎng)站：