摘(zhai)要:現(xian)場總(zong)線控(kong)制系(xi)統代(dai)表了(le)工業(ye)控制(zhi)系統(tong)向㊙️分(fen)🈲散🤩化(hua)、網絡(luo)化、智(zhi)能化(hua)發展(zhan)的方(fang)向.爲(wei)構建(jian)現場(chang)總線(xian)型工(gong)業測(ce)控系(xi)統,要(yao)求系(xi)統中(zhong)所有(you)儀表(biao)都應(ying)具有(you)現場(chang)總線(xian)功能(neng).其中(zhong),HART總線(xian)技術(shu)在電(dian)磁流(liu)量儀(yi)表中(zhong)應用(yong)最爲(wei)廣泛(fan),本文(wen)在對(dui)HART協👣議(yi)進行(hang)詳細(xi)分析(xi)的基(ji)礎上(shang),重點(dian)介紹(shao)了系(xi)統設(she)計結(jie)構以(yi)及HART協(xie)議在(zai)智能(neng)電磁(ci)流量(liang)計 中(zhong)的軟(ruan)硬件(jian)實.現(xian)方法(fa).測試(shi)結果(guo)表明(ming),該設(she)計滿(man)足現(xian)場實(shi)際要(yao)求,達(da)到了(le)設計(ji)目的(de).
　　HART,即HighwayAddressableRemoteTransdueer是(shi)可尋(xun)址遠(yuan)程傳(chuan)感器(qi)高速(su)公路(lu)的簡(jian)稱,其(qi)特點(dian)是在(zai)不幹(gan)💋擾4~20mA模(mo)拟信(xin)号的(de)同時(shi)允許(xu)雙向(xiang)數:字(zi)通訊(xun).符合(he)HART協議(yi)的智(zhi)能電(dian)磁流(liu)量計(ji)不僅(jin)可以(yi)實現(xian)各種(zhong)流量(liang)的檢(jian)測和(he)就地(di)顯示(shi),還可(ke)㊙️以通(tong)過上(shang)位機(ji)進行(hang)遠程(cheng)設定(ding)📱,改變(bian)流量(liang)計的(de)零點(dian).量程(cheng),以及(ji)完成(cheng)自診(zhen)🐅斷等(deng)功能(neng),在很(hen)大程(cheng)度上(shang)方便(bian)了流(liu)量計(ji)的使(shi)用和(he)維護(hu),因而(er)具有(you)較強(qiang)的市(shi)場競(jing)争力(li)L-31.本文(wen)讨論(lun)基于(yu)💜HART協議(yi)智能(neng)電磁(ci)流量(liang)計具(ju)體實(shi)現的(de)技術(shu)問題(ti),一.是(shi)要解(jie)決硬(ying)件電(dian)路的(de)設計(ji)問題(ti),二是(shi)要讨(tao)論實(shi)現HART協(xie)議命(ming)令集(ji)編程(cheng)及上(shang)位機(ji)軟件(jian)的實(shi)現.
1HART協(xie)議簡(jian)介
　　HART協(xie)議遵(zun)循ISO制(zhi)訂的(de)OSI開放(fang)式系(xi)統互(hu)連參(can)考模(mo)型,采(cai)用了(le)OSI模🙇🏻型(xing)的第(di)一層(ceng)、第二(er)層和(he)第七(qi)層,即(ji)物理(li)層、數(shu)據鏈(lian)路層(ceng)和應(ying)用層(ceng).
1.1物理(li)層規(gui)範
　　HART協(xie)議采(cai)用美(mei)國電(dian)話通(tong)訊系(xi)統Bel202頻(pin).移鍵(jian)控(FSK)标(biao)準,在(zai)4~20mA的🌈模(mo)拟Q5mA的(de)正弦(xian)波,波(bo)特率(lü)是1200bps因(yin)爲所(suo)疊加(jia)的正(zheng)弦信(xin)号💯平(ping)均✔️值(zhi)爲0而(er)且相(xiang)位連(lian)續頻(pin)移鍵(jian)控技(ji)術要(yao)求在(zai)波特(te)率爲(wei)1200Hz的數(shu)據位(wei)1和0的(de)邊界(jie)的相(xiang)位角(jiao)是連(lian)續的(de),所以(yi)數字(zi)通訊(xun)信号(hao)不會(hui)影響(xiang)4~20mA的模(mo)拟信(xin)号.
1.2數(shu)據鏈(lian)路層(ceng)規範(fan)
　　這一(yi)部分(fen)協議(yi)規定(ding)了HART幀(zhen)的格(ge)式,實(shi)現建(jian)立、維(wei)護、終(zhong)結鏈(lian)路通(tong)😘訊🌈功(gong)能,HART協(xie)議根(gen)據冗(rong)餘檢(jian)錯碼(ma)信息(xi),通過(guo)差錯(cuo)檢測(ce)機制(zhi)和采(cai)用自(zi)動重(zhong)發請(qing)求協(xie)議(ARQ),實(shi)現通(tong)訊數(shu)據無(wu)差錯(cuo)傳送(song).
　　與協(xie)議相(xiang)關的(de)實體(ti)間的(de)數據(ju)傳輸(shu)是以(yi)幀的(de)形式(shi)🏃🏻實現(xian)✉️的.幀(zhen)是用(yong)戶控(kong)制和(he)尋址(zhi)信息(xi)對用(yong)戶數(shu)據的(de)封裝(zhuang),隻有(you)幀中(zhong)的字(zi)👉節記(ji)數結(jie)束且(qie)經過(guo)了差(cha)錯檢(jian)驗接(jie)收正(zheng)确無(wu)誤或(huo)是物(wu)理層(ceng)通知(zhi)信号(hao)傳輸(shu)終止(zhi)(如檢(jian)測不(bu)到載(zai)波)之(zhi)後才(cai)可以(yi)進行(hang)幀的(de)識别(bie).HART幀的(de)格式(shi)如圖(tu)1所示(shi).
 
●PREAMBLE前導(dao)信号(hao):實際(ji)上是(shi)同步(bu)信号(hao),各通(tong)訊設(she)備可(ke)以據(ju)此略(lue)做🐇調(diao)整,保(bao)證信(xin)息的(de)同步(bu).
●DELM定界(jie)符:一(yi)個獨(du)特的(de)或是(shi)最容(rong)易識(shi)别的(de)字符(fu).最高(gao)位規(gui)定幀(zhen)的尋(xun)址信(xin)息分(fen)爲長(zhang)格式(shi)或短(duan)格式(shi),低3位(wei)定義(yi)了幀(zhen)的類(lei)型.
●ADDR地(di)址字(zi)節:包(bao)含了(le)源地(di)址和(he)目的(de)地址(zhi),最高(gao)位都(dou)用來(lai)表示(shi)與該(gai)幀相(xiang)關的(de)主設(she)備的(de)地址(zhi).“1”表示(shi)基本(ben)主設(she)備;“0”表(biao)示副(fu)主設(she)備.
●COM命(ming)令字(zi)節:表(biao)示現(xian)場儀(yi)表所(suo)要執(zhi)行的(de)功能(neng),範圍(wei)爲255個(ge)🔞.
●BYTECORNT數據(ju)總長(zhang)度:該(gai)值表(biao)示的(de)是BYTECORNT下(xia)一個(ge)字節(jie)到最(zui)後(不(bu)包括(kuo)校驗(yan)字節(jie))的字(zi)節數(shu).
●DATA數據(ju)字節(jie):傳送(song)用戶(hu)數據(ju)和響(xiang)應數(shu)據,但(dan)不是(shi)每個(ge)幀中(zhong)都會(hui)包含(han)數據(ju).
●CHK奇偶(ou)校驗(yan):方式(shi)是縱(zong)向奇(qi)偶校(xiao)驗.
　　在(zai)數據(ju)鏈路(lu)層中(zhong)的HART協(xie)議是(shi)一種(zhong)“主從(cong)”協議(yi),即由(you)主🔅設(she)備産(chan)生消(xiao)息,而(er)從設(she)備隻(zhi)在接(jie)收到(dao)發送(song)給它(ta)的消(xiao)息後(hou)才做(zuo)出應(ying)答.在(zai)從設(she)備的(de)應答(da)消息(xi)中除(chu)了已(yi)被接(jie)收的(de)确☔認(ren)命令(ling),許多(duo)消📐息(xi)中還(hai)⁉️包含(han)了主(zhu)設備(bei)詢問(wen)的🤞數(shu)據.HART協(xie)議允(yun)許系(xi)統中(zhong)同時(shi)有兩(liang)個主(zhu)設💞備(bei)運行(hang),一個(ge)基本(ben)主設(she)備,一(yi)個副(fu)主設(she)備.從(cong)設備(bei)根據(ju)兩個(ge)主設(she)備♊不(bu)同的(de)地址(zhi)來☂️向(xiang)它們(men)分發(fa)各自(zi)的應(ying)答命(ming)令🌈消(xiao)息.
　　實(shi)際上(shang)在智(zhi)能現(xian)場設(she)備與(yu)中央(yang)控制(zhi)或監(jian)測設(she)備的(de)🏃‍♀️信息(xi)⚽往💰返(fan)💯通訊(xun),根據(ju)傳輸(shu)信号(hao)的不(bu)同,可(ke)以分(fen)爲以(yi)下3種(zhong)通訊(xun)模式(shi):模拟(ni)模式(shi)、模拟(ni)+數字(zi)模式(shi)和廣(guang)播(全(quan)數字(zi))模式(shi).
1.3應用(yong)層規(gui)範
　　HART協(xie)議中(zhong)包含(han)三類(lei)命令(ling):第一(yi)類爲(wei)通用(yong)命令(ling)印l,适(shi)用于(yu)🐇遵守(shou)HART協議(yi)👈的所(suo)有産(chan)品,符(fu)合HART協(xie)議的(de)設備(bei)提供(gong)功能(neng)描述(shu);第二(er)類爲(wei)普通(tong)操作(zuo)命令(ling),适用(yong)于遵(zun)守HART協(xie)議的(de)大部(bu)分産(chan)品,當(dang)設備(bei)具有(you)某些(xie)功能(neng)♻️時,該(gai)命令(ling)用于(yu)對這(zhe)些功(gong)能的(de)描述(shu);第三(san)類爲(wei)設備(bei)特殊(shu)命令(ling),适用(yong)于遵(zun)守HART協(xie)♈議的(de)特殊(shu)産品(pin),提供(gong)一些(xie)特殊(shu)的功(gong)能描(miao)述命(ming)令.HART協(xie).議對(dui)于廠(chang)家生(sheng)産的(de)具有(you)特殊(shu)功能(neng)的産(chan)品還(hai)提🈲供(gong)了設(she)備描(miao)述語(yu)言DDL以(yi)确👈保(bao)互操(cao)作性(xing).
2基于(yu)HART協議(yi)的智(zhi)能電(dian)磁流(liu)量計(ji)的硬(ying)件設(she)計
　　帶(dai)有HART通(tong)訊協(xie)議的(de)智能(neng)電磁(ci)流量(liang)計的(de)硬件(jian)系統(tong)電路(lu)采🌈用(yong)模塊(kuai)化設(she)計,主(zhu)要包(bao)括傳(chuan)感器(qi)模塊(kuai)、MCU模塊(kuai).HART通訊(xun)模塊(kuai)和人(ren)機界(jie)面模(mo)塊4個(ge)部分(fen).
　　由單(dan)片機(ji)控制(zhi)的低(di)頻勵(li)磁電(dian)流輸(shu)出到(dao)傳感(gan)器的(de)勵磁(ci)線圈(quan)中,同(tong)時來(lai)自電(dian)磁流(liu)量傳(chuan)感器(qi)的微(wei)小電(dian)勢信(xin)号經(jing)前置(zhi)放大(da)🤟後通(tong)過AD模(mo)數轉(zhuan)換電(dian)路送(song)入到(dao)單片(pian)機.單(dan)片機(ji)對這(zhe)些信(xin)号進(jin)行數(shu)據采(cai)集,分(fen)析處(chu)理送(song)至液(ye)晶顯(xian)示屏(ping)進行(hang)瞬時(shi)💞流量(liang)和累(lei)積流(liu)量的(de)🛀🏻顯示(shi).同時(shi)單片(pian)機通(tong)過計(ji)算公(gong)式對(dui)得到(dao)的流(liu)量值(zhi)🐅進行(hang)補償(chang),将補(bu)償後(hou)的流(liu)量信(xin)号通(tong)過HART通(tong)訊模(mo)🛀塊實(shi)☂️現與(yu)上位(wei)機的(de)遠程(cheng)通訊(xun).
2.1HART通訊(xun)模塊(kuai)設計(ji)
　　HT2012芯片(pian)用來(lai)實現(xian)HART協議(yi)中通(tong)訊信(xin)号的(de)解調(diao)及調(diao)制過(guo)程🈚.圖(tu)2爲♊調(diao)制解(jie)調器(qi)與微(wei)處理(li)器的(de)連接(jie).
 
　　HART信号(hao)的解(jie)調過(guo)程:由(you)帶通(tong)濾波(bo)器輸(shu)出的(de)脈沖(chong)信号(hao)進入(ru)🤩HT2012後,調(diao)制✨解(jie)調器(qi)分别(bie)将脈(mo)沖信(xin)号中(zhong)的1200Hz和(he)2200Hz解調(diao)爲數(shu)字1和(he)0再将(jiang)數字(zi)😄信号(hao)由HT2012的(de)ORXD端口(kou)輸出(chu),CPU對接(jie)收到(dao)的數(shu)據進(jin)行判(pan)斷并(bing)執行(hang)相應(ying)🔞的任(ren)務❤️.
2.2HT2012與(yu)外部(bu)接口(kou).
　　HART數字(zi)信号(hao)規範(fan)是峰(feng)值爲(wei)1mA、平均(jun)值爲(wei)0mA正弦(xian)交流(liu)電流(liu)♋信🐪号(hao)✂️,此信(xin)号經(jing)線路(lu)阻抗(kang)轉化(hua)爲正(zheng)弦交(jiao)流電(dian)壓信(xin)号,而(er)HT2012輸入(ru)和輸(shu)出信(xin)号是(shi)0~5V的方(fang)波信(xin)号,因(yin)此在(zai)HT2012和外(wai)部的(de)HART信号(hao)之間(jian)📧還需(xu)要有(you)濾波(bo)電路(lu)和整(zheng)形電(dian)路.
　　如(ru)圖3所(suo)示,由(you)TLC27組成(cheng)的濾(lü)波器(qi)是帶(dai)通濾(lü).波器(qi),用來(lai)減少(shao)🚶‍♀️接㊙️收(shou)信号(hao)的噪(zao)聲幹(gan)擾.濾(lü)波器(qi)還用(yong)來消(xiao)除波(bo)形中(zhong)的尖(jian)峰,從(cong)而使(shi)接收(shou)到的(de)信号(hao)變得(de)平緩(huan).TLC37組成(cheng)的數(shu)字方(fang)波産(chan)生㊙️回(hui)路把(ba)經過(guo)TLC27濾波(bo)後的(de)正弦(xian)波轉(zhuan)變成(cheng)相應(ying)的方(fang)波,以(yi)便于(yu)HT2012接收(shou).
 
　　如圖(tu)4所示(shi),緩沖(chong)器74HC126的(de)作用(yong)是使(shi)方波(bo)的.上(shang)升沿(yan)和下(xia)降沿(yan)🍉趨于(yu)平緩(huan),使信(xin)号滿(man)足HART物(wu)理層(ceng)規範(fan)所要(yao)求的(de)🐉信号(hao)🐇波形(xing)上升(sheng)沿和(he)下沿(yan)的時(shi)要求(qiu),因爲(wei)較平(ping)緩的(de)上升(sheng)沿和(he)'下降(jiang)沿時(shi)間可(ke)以降(jiang)低與(yu)其它(ta)網絡(luo)間的(de)串擾(rao).
 
　　HT2012需要(yao)外部(bu)提供(gong)4608kHz的時(shi)鍾信(xin)号,且(qie)要求(qiu)時鍾(zhong)頻率(lü)的誤(wu)差是(shi)Q1%,若直(zhi)接入(ru)一個(ge)4608kHz的晶(jing)振不(bu)僅會(hui)引起(qi)系統(tong)功耗(hao)的增(zeng)加,而(er)且該(gai)晶振(zhen)屬于(yu)非标(biao)準晶(jing)振,需(xu)專門(men)定制(zhi).爲了(le)解決(jue)這一(yi)問題(ti),在系(xi)統中(zhong)采用(yong)一片(pian)1.8432MHz的晶(jing)振以(yi)産生(sheng)時鍾(zhong)信号(hao),再經(jing)分頻(pin)器CD4013進(jin)行4分(fen)頗,可(ke)輸出(chu)1.8432MHz4=4608kHz的分(fen)🏃🏻‍♂️頻信(xin)号供(gong)HT2012使用(yong).
　　AD421其内(nei)部的(de)電壓(ya)調節(jie)器與(yu)外部(bu)的場(chang)效應(ying)管DN25D對(dui)輸入(ru)到AD421的(de)電壓(ya)🌈進行(hang)調整(zheng),可提(ti)供十(shi)33V電壓(ya)作爲(wei)其他(ta)設備(bei)😍的電(dian)源.HART發(fa)出的(de)FSK信号(hao),經過(guo)一個(ge)電容(rong)耦合(he)送到(dao)AD421中,轉(zhuan)換成(cheng)相應(ying)的0.5mA正(zheng)弦電(dian)流信(xin)号,實(shi)現電(dian)壓信(xin)号到(dao)電流(liu)信号(hao)的轉(zhuan)換,同(tong)時,疊(die)加在(zai)4~20mA的電(dian)流.上(shang)送給(gei)接收(shou)設備(bei)🐆,實現(xian)了HART協(xie)議的(de)信息(xi)的交(jiao)換.本(ben)電路(lu)耦合(he)電容(rong)取爲(wei)🤩0.0033HE,如圖(tu)5所示(shi).
 
3HART通訊(xun)協議(yi)的軟(ruan)件實(shi)現
3.1智(zhi)能電(dian)磁流(liu)量計(ji)串口(kou)中斷(duan)程序(xu)
　　在HART通(tong)信中(zhong),智能(neng)電磁(ci)流量(liang)計作(zuo)爲從(cong)設備(bei).進行(hang)通訊(xun),所以(yi)這裏(li)的❗軟(ruan)件設(she)計隻(zhi)是針(zhen)對于(yu)從設(she)備.HART通(tong)信采(cai)用水(shui)平和(he)垂直(zhi)校驗(yan)的方(fang)法.當(dang)檢測(ce)到接(jie)收數(shu)據有(you)差錯(cuo)時,則(ze)等到(dao)主設(she)備命(ming)令幀(zhen)㊙️發完(wan)後😍,通(tong)知主(zhu)設備(bei)數據(ju)接收(shou)有誤(wu).主設(she)💃🏻備則(ze)重新(xin)發命(ming)令幀(zhen),從而(er)保證(zheng)通信(xin)的正(zheng)确可(ke)靠.HART中(zhong)斷子(zi)程序(xu)流程(cheng)圖如(ru)圖6所(suo)示.
　　由(you)于HART通(tong)信爲(wei)主從(cong)方式(shi),HART幀中(zhong)每個(ge)字節(jie)在物(wu)理層(ceng)傳輸(shu)✔️需要(yao)9ms左右(you),爲了(le)保證(zheng)通訊(xun)的實(shi)時性(xing),通訊(xun)程序(xu)采用(yong)串行(hang)口終(zhong)端接(jie)收🔴發(fa)送.該(gai)中斷(duan)所要(yao)完成(cheng)通信(xin)中的(de)主要(yao)任務(wu),即接(jie)收和(he)發送(song)幀,幀(zhen)的拆(chai)💞分和(he)打包(bao).
 
3.2上位(wei)機軟(ruan)件數(shu)據采(cai)集程(cheng)序
1)形(xing)成讀(du)流量(liang)計長(zhang)幀地(di)址命(ming)令字(zi):5個FF前(qian)導碼(ma);起始(shi)字符(fu)爲💃02(采(cai)用短(duan)幀格(ge)式時(shi),主設(she)備向(xiang)從設(she)備發(fa)送);地(di)址爲(wei)00(輪循(xun)地址(zhi));命令(ling)字是(shi)00(讀變(bian)送器(qi)标識(shi)命令(ling)字節(jie)數);無(wu)數據(ju)
2)追加(jia)校驗(yan)和:采(cai)用異(yi)或邏(luo)輯運(yun)算求(qiu)校驗(yan)和追(zhui)加在(zai)👨‍❤️‍👨字節(jie)數後(hou),形成(cheng)完整(zheng)命令(ling).
3)按異(yi)步串(chuan)行通(tong)信方(fang)式發(fa)送命(ming)令并(bing)接收(shou)從設(she)備回(hui)答的(de)信息(xi).
4)從回(hui)答的(de)信息(xi)中提(ti)取流(liu)量計(ji)長幀(zhen)地址(zhi).
5)形成(cheng)讀流(liu)量計(ji)其他(ta)數據(ju)命令(ling):5個FF前(qian)導碼(ma);起始(shi)字符(fu)爲82(采(cai)♻️用長(zhang)幀格(ge)式時(shi),主設(she)備向(xiang)從設(she)備發(fa)送);地(di)址爲(wei)流量(liang)計長(zhang)幀地(di)址;命(ming)令字(zi)、字節(jie)數和(he)數據(ju)略;采(cai)用異(yi)或邏(luo)輯運(yun)算求(qiu)校驗(yan)和,追(zhui)加在(zai)🐪字節(jie)數後(hou),形成(cheng)完整(zheng)命令(ling).
4結論(lun)
　　對研(yan)制的(de)智能(neng)電磁(ci)流量(liang)計進(jin)行試(shi)驗表(biao)明:該(gai)流.量(liang)計集(ji)成化(hua)程度(du)高、功(gong)能強(qiang)、操作(zuo)方便(bian)、性能(neng)可靠(kao);具有(you)自診(zhen)斷、自(zi)檢定(ding)功能(neng)👣和HART數(shu)據通(tong)訊功(gong)能;可(ke)測正(zheng)反兩(liang)個方(fang)向流(liu)量,也(ye)可測(ce)脈💘動(dong)流量(liang)🔴;抗電(dian)磁幹(gan)擾和(he)溫度(du)性能(neng)好,适(shi)合于(yu)現場(chang)測量(liang)和顯(xian)示;測(ce)量範(fan)圍大(da),精度(du)高.

本(ben)文來(lai)源于(yu)網絡(luo),如有(you)侵權(quan)聯系(xi)即删(shan)除！