摘(zhai)要:HART,即HighwayAddresableRemoteTransducer,是(shi)可尋址(zhi)遠程傳(chuan)感器高(gao)速公路(lu)的簡稱(cheng)，其特點(dian)❌是在不(bu)幹擾4~20mA模(mo)拟信号(hao)的同時(shi)允許雙(shuang)向數字(zi)通訊🏃🏻。本(ben)文🍓從兩(liang)方面讨(tao)論基于(yu)HART協議智(zhi)能電磁(ci)流量計(ji)具體實(shi)現的技(ji)術問☁️題(ti)，一是要(yao)解決硬(ying)件電路(lu)的設計(ji)問題👉，二(er)是要讨(tao)論實現(xian)HART協議命(ming)令集編(bian)程及上(shang)位機軟(ruan)件的🌂實(shi)現。智能(neng)電磁流(liu)量計設(she)💋計應用(yong)HART協議
一(yi)、前言
　　符(fu)合HART協議(yi)的智能(neng)電磁流(liu)量計 不(bu)僅可以(yi)實現各(ge)種流量(liang)的檢測(ce)和就地(di)顯示，還(hai)可👨‍❤️‍👨以通(tong)過上位(wei)計進行(hang)遠程設(she)定，改變(bian)流量計(ji)的零點(dian)、量程，以(yi)及完成(cheng)自診斷(duan)等功能(neng)，因此在(zai)流量計(ji)的使用(yong)和維護(hu)中更加(jia)方便。
二(er)、HART協議簡(jian)介
　　HART協議(yi)遵循ISO制(zhi)訂的OS1開(kai)放式系(xi)統互連(lian)參考模(mo)型，采用(yong)了✂️OSI模型(xing)的第--層(ceng)、第二層(ceng)和第七(qi)層，即物(wu)理層、數(shu)據鏈路(lu)層和應(ying)用層。
1.物(wu)理層規(gui)範
　　HART協議(yi)采用美(mei)國電話(hua)通訊系(xi)統Bel1202頻移(yi)鍵控(FSK)标(biao)準，在4~20mA的(de)模拟士(shi)🌈0.5mA的正⛱️弦(xian)波，波特(te)率是1200bps.因(yin)爲所疊(die)加的正(zheng)弦信号(hao)平均值(zhi)爲0,而且(qie)相位連(lian)⛷️續頻移(yi)鍵控技(ji)術要求(qiu)在⛷️波特(te)率爲1200Hz的(de)數據位(wei)1和0的邊(bian)界的相(xiang)位角是(shi)連續的(de)🈚，所以數(shu)字通訊(xun)信号不(bu)會影響(xiang)4~20mA的模拟(ni)信👈号。
2.數(shu)據鏈路(lu)層規範(fan)
　　這一部(bu)分協議(yi)規定了(le)HART幀的格(ge)式，實現(xian)建立、維(wei)護、數🏃‍♂️據(ju)鏈路通(tong)訊功能(neng)，HART協議根(gen)據冗餘(yu)檢錯碼(ma)信息，通(tong)過差錯(cuo)檢測機(ji)制和采(cai)用自動(dong)重發請(qing)求協議(yi)(ARQ),實現通(tong)訊數據(ju)無差錯(cuo)傳送。與(yu)🐉協議相(xiang)💯關的數(shu)💜據傳輸(shu)是以幀(zhen)的形式(shi)實現的(de)。幀是用(yong)戶控制(zhi)和尋址(zhi)信息對(dui)用戶數(shu)據的封(feng)裝，隻有(you)幀中的(de)字節記(ji)數結束(shu)且經過(guo)了差錯(cuo)檢驗接(jie)收正确(que)無誤或(huo)是物理(li)層通知(zhi)信号傳(chuan)輸終止(zhi)(如檢測(ce)不到載(zai)波)之後(hou)才☀️可以(yi)進行幀(zhen)的識别(bie)。
　　在數據(ju)鏈路層(ceng)中的HART協(xie)議是--種(zhong)“主1從”協(xie)議。在從(cong)設備的(de)應答消(xiao)息🌂中除(chu)了已被(bei)接收的(de)确認命(ming)令，許多(duo)消息中(zhong)還包含(han)了主設(she)備詢問(wen)的數據(ju)。HART協議允(yun)許系統(tong)中同時(shi)有兩個(ge)主設備(bei)運行，一(yi)🚶個基本(ben)主設備(bei)，一個副(fu)主設備(bei)。從設備(bei)根👈據兩(liang)個主設(she)備不同(tong)的地址(zhi)來向它(ta)們分發(fa)各自的(de)應答命(ming)令消息(xi)。
3.應用層(ceng)規範
　　規(gui)定了HART消(xiao)息包中(zhong)的3類命(ming)令，第一(yi)類是通(tong)用命令(ling),适用于(yu)遵🌈守HART協(xie)議的所(suo)有産品(pin)，爲符合(he)HART協議的(de)設備提(ti)供功能(neng)描述;第(di)二類⛹🏻‍♀️是(shi)普通操(cao)作命令(ling),适用于(yu)遵守♉HART協(xie)議的大(da)部分産(chan)品;第三(san)類是設(she)備特🐉殊(shu)命令,适(shi)用❤️于遵(zun)守HART協議(yi)的特殊(shu)💰産品。
三(san)、基于HART協(xie)議的智(zhi)能電磁(ci)流量計(ji)的通訊(xun)模塊設(she)計
　　帶有(you)HART通訊協(xie)議的智(zhi)能電磁(ci)流量計(ji)的硬件(jian)系統電(dian)🤟路🌂采🌍用(yong)模塊🚶化(hua)設計，主(zhu)要包括(kuo)傳感器(qi)模塊，MCU模(mo)塊、HART通訊(xun)模塊和(he)人機界(jie)面模塊(kuai)四個部(bu)分。
　　由單(dan)片機控(kong)制的低(di)頻勵磁(ci)電流輸(shu)出到傳(chuan)感器的(de)勵磁線(xian)圈中，同(tong)時來自(zi)電磁流(liu)量傳感(gan)器的微(wei)小電勢(shi)信🥰号經(jing)前置放(fang)大後通(tong)過AD模數(shu)轉換電(dian)路送入(ru)到😘單片(pian)機。單片(pian)機對這(zhe)些信号(hao)進行數(shu)據✌️采集(ji)，分析處(chu)理送至(zhi)液晶顯(xian)示屏進(jin)行瞬時(shi)流量和(he)累積流(liu)量的顯(xian)示。同時(shi)單片機(ji)通過計(ji)算公式(shi)對得到(dao)的流量(liang)值👈進行(hang)補償，将(jiang)🐅補償後(hou)的流量(liang)信号通(tong)過HART通訊(xun)模塊實(shi)現與上(shang)位機的(de)遠程通(tong)訊。本文(wen)隻介紹(shao)HART通訊模(mo)塊設計(ji):
　　HT2012芯片用(yong)來實現(xian)HART協議中(zhong)通訊信(xin)号的解(jie)調及調(diao)制過程(cheng)。HART信号的(de)解🙇‍♀️調過(guo)程:由帶(dai)通濾波(bo)器輸出(chu)的脈沖(chong)信号進(jin)入HT2012後，調(diao)制解調(diao)器分别(bie)将脈沖(chong)信号中(zhong)的1200Hz和2200Hz解(jie)調爲數(shu)字1和0，再(zai)将數字(zi)⭕信号由(you)HT2012的ORXD端口(kou)🈚輸出，微(wei)處理器(qi)(CPU)對接收(shou)到的數(shu)據進行(hang)判斷并(bing)執行相(xiang)㊙️應的任(ren)務⚽。
　　HART數字(zi)信号規(gui)範是峰(feng)值爲1mA、平(ping)均值爲(wei)0mA正弦交(jiao)流電流(liu)信号，此(ci)信号經(jing)線路阻(zu)抗轉化(hua)爲正弦(xian)交流電(dian)壓信号(hao)，而HT2012輸入(ru)和輸💋出(chu)信号是(shi)0~5V的方波(bo)信号，因(yin)此在HT2012和(he)外👈部的(de)HART信号之(zhi)間還需(xu)要有濾(lü)波電路(lu)和整形(xing)電路。
　　由(you)TLC27組成的(de)濾波器(qi)是帶通(tong)濾波器(qi)，用來減(jian)少接收(shou)信号的(de)噪聲幹(gan)🔞擾。濾波(bo)器還用(yong)來消除(chu)波形中(zhong)的尖峰(feng)，從而使(shi)接收到(dao)的信号(hao)變得平(ping)緩。TLC37組成(cheng)的數字(zi)方波産(chan)生回路(lu)把經過(guo)TLC27濾波後(hou)的正弦(xian)波轉♉變(bian)成相應(ying)的方波(bo)，以便于(yu)HT2012接收。
　　緩(huan)沖器74HC126的(de)作用是(shi)使方波(bo)的上升(sheng)沿和下(xia)降沿趨(qu)于平緩(huan),使信号(hao)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(yan)的時要(yao)求，因爲(wei)較平級(ji)的上升(sheng)沿和下(xia)降沿時(shi)間可以(yi)降低與(yu)其它🌏網(wang)絡間的(de)串擾。HT2012需(xu)要外部(bu)提供460.8kHz的(de)時鍾信(xin)号，且要(yao)求🏒時鍾(zhong)頻率的(de)誤差是(shi)土0.1%，若直(zhi)接輸入(ru)一個460.8kHz的(de)晶振不(bu)僅會引(yin)起系統(tong)功耗的(de)增加，而(er)且該🈲晶(jing)振屬于(yu)非标準(zhun)晶振，需(xu)專門定(ding)制。爲了(le)解決這(zhe)一-問題(ti)，在系統(tong)中采用(yong)🔆一片1.8432MHz的(de)晶振以(yi)🙇🏻産生時(shi)鍾信号(hao)，再經分(fen)頻器CD4013進(jin)行4分頗(po)，可輸出(chu)1.8432MHz/4=460.8kHz的分頻(pin)信号供(gong)HT2012使用。
　　AD421其(qi)内部的(de)電壓調(diao)節器與(yu)外部的(de)場效應(ying)管DN25D對輸(shu)入到AD421的(de)電壓進(jin)行調整(zheng)，可提供(gong)+3.3V電壓作(zuo)爲其他(ta)設備的(de)電源。HART發(fa)出的FSK信(xin)号，經過(guo)-一個電(dian)容耦合(he)送到AD421中(zhong)，轉換成(cheng)相應的(de)土0.5mA正💚弦(xian)電流信(xin)号，實現(xian)電壓信(xin)号到電(dian)流信号(hao)的轉換(huan)，同時，疊(die)😘加在4~20mA的(de)電流上(shang)送給接(jie)收設備(bei)👈，實現了(le)HART協議的(de)信息的(de)交換。本(ben)電路耦(ou)合電容(rong)取爲0.0033μF。
四(si)、HART通訊協(xie)議的軟(ruan)件實現(xian)
1.智能電(dian)磁流量(liang)計串口(kou)中斷程(cheng)序
　　在串(chuan)行口中(zhong)斷服務(wu)程序中(zhong)，首先保(bao)護現場(chang)，然後判(pan)斷是接(jie)收中斷(duan)還是發(fa)送中斷(duan)，若爲接(jie)收中斷(duan)則執行(hang)接收服(fu)務子程(cheng)序，否則(ze)執行發(fa)送服務(wu)子程序(xu)。中斷處(chu)理結束(shu)後，恢複(fu)現場幷(bing)返回系(xi)統主程(cheng)序。HART通信(xin)采用水(shui)平和垂(chui)直校驗(yan)的方法(fa)。當檢測(ce)到接收(shou)數據有(you)差錯時(shi)，則等到(dao)主設備(bei)命令幀(zhen)發完後(hou)，通知主(zhu)設備數(shu)據接收(shou)有誤。主(zhu)設備則(ze)重新發(fa)命令幀(zhen)，從而保(bao)證通信(xin)可靠。
　　在(zai)對命令(ling)幀響應(ying)之前先(xian)要将該(gai)幀拆分(fen)，即首先(xian)判斷該(gai)幀前導(dao)碼是否(fou)正确，每(mei)接收一(yi)個前導(dao)碼，計數(shu)器加1,再(zai)接收定(ding)界符，若(ruo)爲有效(xiao)的定界(jie)符且前(qian)導碼計(ji)數器大(da)于1,則爲(wei)HART幀的起(qi)始位置(zhi)，根據定(ding)界符确(que)定HART幀的(de)類型，若(ruo)爲應答(da)幀或成(cheng)組模式(shi)幀則終(zhong)止接收(shou)服務，等(deng)待載波(bo)結束;若(ruo)爲請求(qiu)幀，則确(que)定幀格(ge)式，設置(zhi)接收長(zhang)幀格式(shi)或短幀(zhen)格式地(di)址計數(shu)值，短幀(zhen)格式地(di)址接收(shou)1個字節(jie),長幀格(ge)式地址(zhi)接收5個(ge)字節。再(zai)接收命(ming)令号,數(shu)據字節(jie)長度字(zi)節，若數(shu)據字節(jie)長度字(zi)節出現(xian)奇偶校(xiao)驗錯誤(wu)則終止(zhi)接收服(fu)務，等待(dai)載波結(jie)束;否則(ze)設置數(shu)據字節(jie)長度計(ji)數器，每(mei)接收-一(yi)個數據(ju)字節，長(zhang)度計數(shu)器減1,最(zui)後接收(shou)水平校(xiao)驗和。若(ruo)接收請(qing)求地址(zhi)匹配，對(dui)接收的(de)HART幀異或(huo)求水平(ping)校驗和(he)，并與接(jie)收水平(ping)校驗和(he)進行比(bi)較，相同(tong)則表示(shi)無通訊(xun)錯誤，否(fou)則置水(shui)平校驗(yan)和錯誤(wu)标志爲(wei)1,結束接(jie)收服務(wu)并轉入(ru)HART命令執(zhi)行子程(cheng)序。
五、結(jie)論
　　對研(yan)制的智(zhi)能電磁(ci)流量計(ji)進行試(shi)驗表明(ming):該流量(liang)💛計集成(cheng)化🌈程度(du)高、功能(neng)強、操作(zuo)方便、性(xing)能可靠(kao);具有📱自(zi)診斷、自(zi)檢定功(gong)能和HART數(shu)👉據通訊(xun)功能;可(ke)測正反(fan)兩個方(fang)向流量(liang)，也可測(ce)脈動流(liu)量✉️;抗電(dian)磁幹擾(rao)和溫度(du)❄️性能好(hao)，适合于(yu)現場測(ce)量和顯(xian)示;測量(liang)範圍大(da),精度高(gao)。

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