一、前言
符合HART協(xié)議的智能電磁流量計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)各種流量的檢測和就地顯示,還可以通過上位計(jì)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,因此在流量計(jì)的使用和維護(hù)中更加方便。
二、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**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.物理層規(guī)范
HART協(xié)議采用美國電話通訊系統(tǒng)Bel202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1200bp.因?yàn)樗B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.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)、數(shù)據(jù)鏈路通訊功能,HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息、通過差錯(cuò)檢測機(jī)制和采用自動重發(fā)請求協(xié)議(ARQ),實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯(cuò)傳送。與協(xié)議相關(guān)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用戶數(shù)據(jù)的封裝,只有幀中的字節(jié)記數(shù)結(jié)東且經(jīng)過了差錯(cuò)檢驗(yàn)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。
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(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)備不同的地址來向它們分發(fā)各自的應(yīng)答命令消息。
3.應(yīng)用層規(guī)范
規(guī)定了HART消息包中的3類命令,**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。
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)界面模塊四個(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(shí)流量和累積流量的顯示。同時(shí)單片機(jī)通過計(jì)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(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊。本文只介紹HART通訊模塊設(shè)計(jì):HT2012芯片用來實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議中通訊信號的解調(diào)及調(diào)制過程。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,微處理器(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)。
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。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抗。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。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(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)_HT2012需要外部提供460.8kHz的時(shí)鐘信號,且要求時(shí)鐘頻率的誤差是±0.1%,若直接輸入一個(gè)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(shí)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(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,實(shí)現(xiàn)電壓信號到電流信號的轉(zhuǎn)換,同時(shí),疊加在4-20mA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0.0033µF
四、HART通訊協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)
在出行口中斷服務(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)東后,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(yàn)的方法。當(dāng)檢測到接收數(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。
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(gè)前導(dǎo)碼,計(jì)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(jì)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)東;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(jì)數(shù)值,短幀格式地址接收1個(gè)字節(jié),長幀格式地址接收5個(gè)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(yàn)錯(cuò)誤則終止接收服務(wù),等待載波結(jié)東;否則設(shè)置數(shù)據(jù)字節(jié)長度計(jì)數(shù)器,每接收一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié),長度計(jì)數(shù)器減1,zui后接收水平校驗(yàn)和。若接收請求地址匹配,對接收的HART幀異或求水平校驗(yàn)和,并與接收水平校驗(yàn)和進(jìn)行比較,相同則表示無通訊錯(cuò)誤,否則置水平校驗(yàn)和錯(cuò)誤標(biāo)志為1,結(jié)東接收服務(wù)并轉(zhuǎn)入HART命令執(zhí)行子程序。
五、結(jié)論
對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;可測正反兩個(gè)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。
上一條：
電磁流量計(jì)傳感器的日常檢查
下一條：
基于故障數(shù)據(jù)的電磁流量計(jì)壽命分布規(guī)律
