基于HART協(xié)議的智能電磁流量計設計

1.引言

　　HART，即Highway Addressable Remote Transducer，是可尋址遠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行遠程設定，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，因而具有較強的市場競爭力。[1]本文討論基于HART協(xié)議智能電磁流量計具體實現(xiàn)的技術問題,一是要解決硬件電路的設計問題，二是要討論實現(xiàn)HART協(xié)議命令集編程及上位機軟件的實現(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)標準，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、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）之后才可以進行幀的識別。HART 幀的格式如圖1所示。

        PREAMBLE　前導信號。
　　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的主設備的地址。
　　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。在從設備的應答消息中除了已被接收的確認命令，許多消息中還包含了主設備詢問的數(shù)據(jù)。HART協(xié)議允許系統(tǒng)中同時有兩個主設備運行，一個基本主設備，一個副主設備。從設備根據(jù)兩個主設備不同的地址來向它們分發(fā)各自的應答命令消息。

2.3 應用層規(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)電路采用模塊化設計，主要包括傳感器模塊，MCU模塊、HART通訊模塊和人機界面模塊四個部分。

　　由單片機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。單片機對這些信號進行數(shù)據(jù)采集，分析處理送至液晶顯示屏進行瞬時流量和累積流量的顯示。同時單片機通過計算公式對得到的流量值進行補償，將補償后的流量信號通過HART通訊模塊實現(xiàn)與上位機的遠程通訊。

3.1 HART通訊模塊設計

　　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)進行判斷并執(zhí)行相應的任務。

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)絡間的串擾。

　　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準晶振，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)器與外部的場效應管DN25D對輸入到AD421的電壓進行調(diào)整，可提供+3.3V電壓作為其他設備的電源。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]

　　在串行口中斷服務程序中，首先保護現(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)行接收服務子程序，否則執(zhí)行發(fā)送服務子程序。中斷處理結束后，恢復現(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。當檢測到接收數(shù)據(jù)有差錯時，則等到主設備命令幀發(fā)完后，通知主設備數(shù)據(jù)接收有誤。主設備則重新發(fā)命令幀，從而保證通信的準確可靠。HART串口中斷子程序流程圖如圖5所示。

4.2 HART命令拆分子程序[6][7]

　　在對命令幀響應之前先要將該幀拆分，即首先判斷該幀前導碼是否正確，每接收一個前導碼，計數(shù)器加1。再接收定界符，若為有效的定界符且前導碼計數(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，若為應答幀或成組模式幀則終止接收服務，等待載波結束；若為請求幀，則確定幀格式，設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，等待載波結束；否則設置數(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 驗和進行比較，相同則表示無通訊錯誤，否則置水平校驗和錯誤標志為1，結束接收服務并轉(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。

5 結論

　　對研制的智能電磁流量計進行試驗表明：該流量計集成化程度高、功能強、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，準確度高。