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HART協議在鑽井泥漿流量計中的實現
點擊次數：1904 發布時間：2020-08-12 15:57:52
摘（zhāi）要：現場總線控製係統代表了工（gōng）業（yè）控製係統向分散化、網絡化、智能化發展的方向。為構（gòu）建（jiàn）現場總線型工業測（cè）控係（xì）統，要求係統中所有（yǒu）儀表都應具有現場總（zǒng）線功能。其中，HART總線技術在電磁流量儀表中（zhōng）應用*為廣泛，本文在對HART協議進行詳細分析的基礎上（shàng），重點介紹了係（xì）統設計結構以及HART協議在鑽井泥漿流量計中的軟硬件實現方（fāng）法，測試結果表明，該設計（jì）滿足現場實際要求，達到了設計目的。
HART，即Highway Addressable Remote Transduc-er，是可尋（xún）址遠（yuǎn）程傳感器高速公（gōng）路的簡稱，*早由美國Rosemount公司開（kāi）發並得到八十多（duō）家**儀表公司的支持（chí），其特點是在不幹擾4~20mA模擬信號的同時允許雙向（xiàng）數字通訊。符合HART協議的鑽井泥漿流量計不僅可以實現各（gè）種流量的檢測和就地顯示，還可以通過上位機（jī）進行遠程設定,改變流量計的零點、量程，以及完成（chéng）自診（zhěn）斷等功能，在很大程度（dù）上方便了流量計的使用和維護（hù），因而具有較（jiào）強的（de）市場競爭力。本文討論基於（yú）HART協議鑽井泥漿流（liú）量計具體實現的技術問題，一是要解決硬件電路的設計問題，二是要討論實現HART協議命令集編程及上位機軟（ruǎn）件的實現。
1、HART協議簡介
HART協議遵（zūn）循ISO製（zhì）訂的OSI開放式（shì）係統互連參考模（mó）型，采用了OSI模型（xíng）的*一層、*二層和*七層，即物理層、數（shù）據鏈路層和應用層。
1.1 物理層規範
HART協議采用美國電話通訊係統Bell202頻移鍵控(FSK)標準，在4~20 mA的（de）模（mó）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，而且相位連續頻移鍵控技術要求在波特率為1200Hz的數據位1和0的邊界的相位角是連續的，所以數字通訊信（xìn）號不會影響4~20mA的模擬信號。
1.2 數據鏈路層規範
這一部分協議規定了HART幀的格式，實現建立、維護、終（zhōng）結鏈路通訊功（gōng）能，HART協議根據冗餘檢錯碼信息，通過差錯檢測機製和采用自動重發請求協議(ARQ)，實現通訊數據無差錯傳送。與協議相關的（de）實體間的數據傳輸是以幀的形式實現的。幀是用戶（hù）控製和尋址信息對用戶數據的封（fēng）裝，隻有幀中的字節記數結（jié）束且經過了差（chà）錯檢驗接收正確無誤或是物理層通知信（xìn）號傳輸終止(如檢測（cè）不到載波)之後才可以（yǐ）進行幀的識別。HART幀的格（gé）式如圖1所示。
●PREAMBLE前導信號：實際上是同步（bù）信號，各通訊（xùn）設備可以據此略做調（diào）整，保證信息的同步。
●DELIM定界符：一個獨特的或是*容易識別的字符，*高位規定幀的尋址信息分為長格式或短格式，低3位定義了幀的類型。
●ADDR地址字節：包含（hán）了源地址和目的地址，*高位（wèi）都用來表示與該幀相關（guān）的主設備的地址。“1”表示基本主（zhǔ）設備；“0”表示副主設備。
●COM命令字節（jiē）：表示現（xiàn）場儀表所要執（zhí）行的功能，範圍為255個。
●BYTE CORNT數據總長度：該值表示的是BYTE CORNT下一個字節到*後(不包括校驗字節)的字節數。
●DATA數據（jù）字節：傳送（sòng）用戶數據和響應數據，但（dàn）不（bú）是每個幀中都會包含數據。
●CHK奇偶校驗：方式是縱（zòng）向奇偶校驗（yàn）。
在數據鏈路層中的HART協議是一（yī）種“主/從（cóng）”協議，即由主設備產生消息，而從設備隻在接收到發送給它的消息後（hòu）才做（zuò）出應答。在從設備的應答消息中（zhōng）除（chú）了已被接收的確認命（mìng）令，許多（duō）消息中（zhōng）還包含了主設備詢問的數據。HART協議允許係統中同時有兩個主設備運行，一個基本（běn）主設備，一個副主設備。從設備（bèi）根（gēn）據兩個主設備不同的地址來向它們分發各自的應答（dá）命令消息。實際上在（zài）智能現場設備與中央控製或監測設備的信息往返通訊，根據傳輸（shū）信號的不同，可以分為以下3種通訊模式：模擬（nǐ）模式、模（mó）擬+數字模式和廣播(全數字)模式。
1.3 應用（yòng）層規範
HART協議（yì）中包含三類命令：*一類為通用命（mìng）令，適（shì）用於遵守HART協議的所有產品，符合HART協議的設備提供功能描述；*二類為（wéi）普通操作命令，適用於遵守HART協（xié）議的大部分產品，當設備具有某些功能時，該（gāi）命令用於對這些（xiē）功能的描述；*三類為設備特殊（shū）命令，適用於遵守HART協議的特殊產（chǎn）品，提供一些特殊的功能描述命令。HART協議對於廠家生產的具有特殊功能的產品還提供了設備描述語言DDL，以確保（bǎo）互操作性。
2、基於HART協議的（de）鑽井泥漿流量計的硬（yìng）件設計
帶有HART通訊協議的鑽井泥漿（jiāng）流量計的硬件係統電路采用（yòng）模塊化設計，主要包括傳感器模塊、MCU模塊（kuài）、HART通訊模塊和（hé）人機界麵模塊4個部分。由單片機控製的低（dī）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（xìn）號經前置放大後（hòu）通過AD模數（shù）轉換電（diàn）路（lù）送入到（dào）單片機。單片機對這些信號進行數據采集，分析處理（lǐ）送至液晶顯示屏進行瞬時流量和累積流量（liàng）的顯示。同（tóng）時單片機通過計算公式（shì）對（duì）得到的流量值進行補償，將補償後的流量信（xìn）號通過HART通訊模塊實現與上位機的遠程通訊。
2.1 HART通訊模（mó）塊設（shè）計
HT2012芯片用來實現HART協議中通訊信號的解調及調製（zhì）過程。圖2為調製解調器與（yǔ）微處（chù）理器的連接。
HARTHART信號的解調過程：由帶通濾波器（qì）輸出（chū）的脈衝信號進入（rù）HT2012後，調製解調（diào）器分別將脈衝信號中的1200Hz和2200Hz解調為數字1和0，再將數字（zì）信號由HT2012的ORXD端口輸出，CPU對接收到的數據進行判斷並（bìng）執行（háng）相應的任務。
2.2 HT2012與外部接口
HART數字信（xìn）號（hào）規範是峰值為1mA、平均值為0mA正弦交流電流信號，此信號經（jīng）線路阻抗轉化為正弦交流（liú）電壓信（xìn）號，而HT2012輸入和（hé）輸出信號是0~5V的方波信（xìn）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（shōu）信（xìn）號的噪聲幹擾。濾波器還用（yòng）來消除波形中的尖（jiān）峰，從而使接收到的信號變（biàn）得平緩（huǎn）。TLC37組成的數字（zì）方波（bō）產生回路把經過TLC27濾波後的正弦波轉變成相應的方波，以便於HT2012接收。
如（rú）圖4所示，緩衝器74HC126的（de）作用是使方波的上升沿和（hé）下（xià）降沿趨於平緩，使信號滿（mǎn）足（zú）HART物理層規範所要求的（de）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（jiān）可以降低與其它網絡間的串擾。
HT2012需要外部提供460.8kHz的時鍾信號，且要求時鍾頻率的誤差是0.1%，若直接入一個460.8kHz的晶振不僅會引起（qǐ）係（xì）統功耗（hào）的增（zēng）加，而且該晶振屬於非（fēi）標（biāo）準晶振，需專門定製。為了解決這一問題，在係統（tǒng）中采用一片（piàn）1.8432MHz的晶振以產生時鍾信號，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其內部的電壓調節器與外部的場效應管DN25D對輸入到AD421的電壓進行調整，可提供+3.3V電壓作為其他設備的電源。HART發（fā）出的FSK信號，經過一個電容耦合送到AD421中，轉換成相應的0.5mA正弦電流信號，實現電壓信號到（dào）電流信號的轉換，同時，疊加在4~20mA的電流（liú）上送給接收設備，實現了HART協議的（de）信（xìn）息的交（jiāo）換。本電路耦合電容取為0.0033μF，如圖5所示。
3、HART通訊協議的軟件實現
3.1 鑽井泥漿流量計串口中斷程序
在HART通信中，鑽井泥漿流量計作為（wéi）從設備進行通訊，所以（yǐ）這裏的（de）軟件設計隻是（shì）針對於從設備。HART通信采用水平和（hé）垂直校驗的方（fāng）法。當檢測到接收數據有差（chà）錯時，則等到主設備命令幀發完後（hòu），通（tōng）知主設備（bèi）數據（jù）接收有誤。主設備則重新發命令幀，從而保證通信的準確可靠。HART中（zhōng）斷子程序流程圖如圖6所示。由於HART通信為主從方式，HART幀中每個字節在物理層傳輸需要9ms左右，為了保證通訊的實時性，通訊程序（xù）采用串行口終端接收/發（fā）送。該中斷所要完成通信中（zhōng）的主要任務，即接收和發送幀，幀（zhēn）的拆分和打包。
3.2 上位機（jī）軟件數據采集程序（xù）
1)形成讀流量（liàng）計長幀地址命令字：5個FF前導碼；起始字（zì）符為02(采用短幀格式時，主設備向從設備發送)；地址為00(輪循地址)；命令字是00(讀變送器標識（shí）命令字節數)；無數據。
2)追（zhuī）加校驗和：采用異或邏輯運算求校驗和追（zhuī）加（jiā）在字節數後（hòu），形（xíng）成完整命令。
3)按異步串行通信方式發送命令並（bìng）接收從設備回答的信息。
4)從回答的信息中提取流量計長幀地址。
5)形成讀流量計其他數據命令：5個FF前導碼；起始字符為82(采用長幀格式時，主設備向從設備發送)；地址為流量計長幀地址；命令字、字節（jiē）數和數據（jù）略；采用異或邏（luó）輯運算求校驗和，追加在字節數後，形成完整命令。
6)按異步串行通信方式發送命令並（bìng）接收儀器回答的信息（xī）。
7)從回答的信息中提取流量計數（shù）據。以後再讀取（qǔ）流量計的數據時，隻進行(5)~(7)步即（jí）可（kě）。流程圖見圖7所示。
4、結（jié）論
對研製的鑽井泥漿流量計（jì）進行（háng）試驗表（biǎo）明（míng）：該流量計集成化程度高、功能強、操作方便、性能可靠；具有自（zì）診斷（duàn）、自檢定功能和HART數據通訊功能；可測正反兩個方向流量，也可測脈動流量；抗電磁（cí）幹擾和溫度性能好，適合於現場測量和顯示；測量範圍大，準確度高。
泥漿流量計量（liàng）表（biǎo）怎麽調 泥漿（jiāng）流量計的主要特性指（zhǐ）標 泥漿流量計的規格型號 泥漿流量計（jì）種類有哪些 泥漿流（liú）量計怎麽看數值（zhí） 泥漿流量計怎麽調整 泥漿流量計如何正確選型 泥漿流量（liàng）計工作原（yuán）理 泥漿流量計的使用說明 泥漿流（liú）量計的選擇 水泥漿流量計種類及（jí）優缺點 水泥漿流量計的作用與用途 水泥漿流量（liàng）計的安裝規範 水泥漿流量計的主要技術參（cān）數（shù） 水泥漿流量計的規格型號 水泥漿流量計怎麽看數值 水泥漿流量計如何正確的選型 水泥漿流量計（jì）的用途 水泥（ní）漿流量計如何使用 水泥漿流量（liàng）計（jì）工作（zuò）原理 水泥漿流量計怎麽接線 淺析正確處理（lǐ）水泥漿流量計測量過程中液體均勻混合問題 水泥漿流量計的特性供電選型與大流量水計量的應用 高壓旋噴水泥漿流量計在農田灌溉（gài）水量計量的（de）應用 水泥漿管道流量計調試期與運（yùn）行（háng）期常見故障（zhàng）的分析處理（lǐ） 水泥漿流量計在供水領域的應用及如何組建運程監控係統 安裝水泥漿計量表時如何減少（shǎo）彎管部件對於測量的影響 隔（gé）膜（mó）泵上的水泥漿流量表價格（gé）提高（gāo）了流量（liàng）計量精度 水泥漿流量計監測數據有效性（xìng）判別技術（shù）研究 水泥漿流量計廠家指導分體式傳感（gǎn）器檢定校準方法
HART，即Highway Addressable Remote Transduc-er，是可尋（xún）址遠（yuǎn）程傳感器高速公（gōng）路的簡稱，*早由美國Rosemount公司開（kāi）發並得到八十多（duō）家**儀表公司的支持（chí），其特點是在不幹擾4~20mA模擬信號的同時允許雙向（xiàng）數字通訊。符合HART協議的鑽井泥漿流量計不僅可以實現各（gè）種流量的檢測和就地顯示，還可以通過上位機（jī）進行遠程設定,改變流量計的零點、量程，以及完成（chéng）自診（zhěn）斷等功能，在很大程度（dù）上方便了流量計的使用和維護（hù），因而具有較（jiào）強的（de）市場競爭力。本文討論基於（yú）HART協議鑽井泥漿流（liú）量計具體實現的技術問題，一是要解決硬件電路的設計問題，二是要討論實現HART協議命令集編程及上位機軟（ruǎn）件的實現。
1、HART協議簡介
HART協議遵（zūn）循ISO製（zhì）訂的OSI開放式（shì）係統互連參考模（mó）型，采用了OSI模型（xíng）的*一層、*二層和*七層，即物理層、數（shù）據鏈路層和應用層。
1.1 物理層規範
HART協議采用美國電話通訊係統Bell202頻移鍵控(FSK)標準，在4~20 mA的（de）模（mó）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，而且相位連續頻移鍵控技術要求在波特率為1200Hz的數據位1和0的邊界的相位角是連續的，所以數字通訊信（xìn）號不會影響4~20mA的模擬信號。
1.2 數據鏈路層規範
這一部分協議規定了HART幀的格式，實現建立、維護、終（zhōng）結鏈路通訊功（gōng）能，HART協議根據冗餘檢錯碼信息，通過差錯檢測機製和采用自動重發請求協議(ARQ)，實現通訊數據無差錯傳送。與協議相關的（de）實體間的數據傳輸是以幀的形式實現的。幀是用戶（hù）控製和尋址信息對用戶數據的封（fēng）裝，隻有幀中的字節記數結（jié）束且經過了差（chà）錯檢驗接收正確無誤或是物理層通知信（xìn）號傳輸終止(如檢測（cè）不到載波)之後才可以（yǐ）進行幀的識別。HART幀的格（gé）式如圖1所示。
●PREAMBLE前導信號：實際上是同步（bù）信號，各通訊（xùn）設備可以據此略做調（diào）整，保證信息的同步。
●DELIM定界符：一個獨特的或是*容易識別的字符，*高位規定幀的尋址信息分為長格式或短格式，低3位定義了幀的類型。
●ADDR地址字節：包含（hán）了源地址和目的地址，*高位（wèi）都用來表示與該幀相關（guān）的主設備的地址。“1”表示基本主（zhǔ）設備；“0”表示副主設備。
●COM命令字節（jiē）：表示現（xiàn）場儀表所要執（zhí）行的功能，範圍為255個。
●BYTE CORNT數據總長度：該值表示的是BYTE CORNT下一個字節到*後(不包括校驗字節)的字節數。
●DATA數據（jù）字節：傳送（sòng）用戶數據和響應數據，但（dàn）不（bú）是每個幀中都會包含數據。
●CHK奇偶校驗：方式是縱（zòng）向奇偶校驗（yàn）。
在數據鏈路層中的HART協議是一（yī）種“主/從（cóng）”協議，即由主設備產生消息，而從設備隻在接收到發送給它的消息後（hòu）才做（zuò）出應答。在從設備的應答消息中（zhōng）除（chú）了已被接收的確認命（mìng）令，許多（duō）消息中（zhōng）還包含了主設備詢問的數據。HART協議允許係統中同時有兩個主設備運行，一個基本（běn）主設備，一個副主設備。從設備（bèi）根（gēn）據兩個主設備不同的地址來向它們分發各自的應答（dá）命令消息。實際上在（zài）智能現場設備與中央控製或監測設備的信息往返通訊，根據傳輸（shū）信號的不同，可以分為以下3種通訊模式：模擬（nǐ）模式、模（mó）擬+數字模式和廣播(全數字)模式。
1.3 應用（yòng）層規範
HART協議（yì）中包含三類命令：*一類為通用命（mìng）令，適（shì）用於遵守HART協議的所有產品，符合HART協議的設備提供功能描述；*二類為（wéi）普通操作命令，適用於遵守HART協（xié）議的大部分產品，當設備具有某些功能時，該（gāi）命令用於對這些（xiē）功能的描述；*三類為設備特殊（shū）命令，適用於遵守HART協議的特殊產（chǎn）品，提供一些特殊的功能描述命令。HART協議對於廠家生產的具有特殊功能的產品還提供了設備描述語言DDL，以確保（bǎo）互操作性。
2、基於HART協議的（de）鑽井泥漿流量計的硬（yìng）件設計
帶有HART通訊協議的鑽井泥漿（jiāng）流量計的硬件係統電路采用（yòng）模塊化設計，主要包括傳感器模塊、MCU模塊（kuài）、HART通訊模塊和（hé）人機界麵模塊4個部分。由單片機控製的低（dī）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（xìn）號經前置放大後（hòu）通過AD模數（shù）轉換電（diàn）路（lù）送入到（dào）單片機。單片機對這些信號進行數據采集，分析處理（lǐ）送至液晶顯示屏進行瞬時流量和累積流量（liàng）的顯示。同（tóng）時單片機通過計算公式（shì）對（duì）得到的流量值進行補償，將補償後的流量信（xìn）號通過HART通訊模塊實現與上位機的遠程通訊。
2.1 HART通訊模（mó）塊設（shè）計
HT2012芯片用來實現HART協議中通訊信號的解調及調製（zhì）過程。圖2為調製解調器與（yǔ）微處（chù）理器的連接。
HARTHART信號的解調過程：由帶通濾波器（qì）輸出（chū）的脈衝信號進入（rù）HT2012後，調製解調（diào）器分別將脈衝信號中的1200Hz和2200Hz解調為數字1和0，再將數字（zì）信號由HT2012的ORXD端口輸出，CPU對接收到的數據進行判斷並（bìng）執行（háng）相應的任務。
2.2 HT2012與外部接口
HART數字信（xìn）號（hào）規範是峰值為1mA、平均值為0mA正弦交流電流信號，此信號經（jīng）線路阻抗轉化為正弦交流（liú）電壓信（xìn）號，而HT2012輸入和（hé）輸出信號是0~5V的方波信（xìn）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（shōu）信（xìn）號的噪聲幹擾。濾波器還用（yòng）來消除波形中的尖（jiān）峰，從而使接收到的信號變（biàn）得平緩（huǎn）。TLC37組成的數字（zì）方波（bō）產生回路把經過TLC27濾波後的正弦波轉變成相應的方波，以便於HT2012接收。
如（rú）圖4所示，緩衝器74HC126的（de）作用是使方波的上升沿和（hé）下（xià）降沿趨於平緩，使信號滿（mǎn）足（zú）HART物理層規範所要求的（de）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（jiān）可以降低與其它網絡間的串擾。
HT2012需要外部提供460.8kHz的時鍾信號，且要求時鍾頻率的誤差是0.1%，若直接入一個460.8kHz的晶振不僅會引起（qǐ）係（xì）統功耗（hào）的增（zēng）加，而且該晶振屬於非（fēi）標（biāo）準晶振，需專門定製。為了解決這一問題，在係統（tǒng）中采用一片（piàn）1.8432MHz的晶振以產生時鍾信號，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其內部的電壓調節器與外部的場效應管DN25D對輸入到AD421的電壓進行調整，可提供+3.3V電壓作為其他設備的電源。HART發（fā）出的FSK信號，經過一個電容耦合送到AD421中，轉換成相應的0.5mA正弦電流信號，實現電壓信號到（dào）電流信號的轉換，同時，疊加在4~20mA的電流（liú）上送給接收設備，實現了HART協議的（de）信（xìn）息的交（jiāo）換。本電路耦合電容取為0.0033μF，如圖5所示。
3、HART通訊協議的軟件實現
3.1 鑽井泥漿流量計串口中斷程序
在HART通信中，鑽井泥漿流量計作為（wéi）從設備進行通訊，所以（yǐ）這裏的（de）軟件設計隻是（shì）針對於從設備。HART通信采用水平和（hé）垂直校驗的方（fāng）法。當檢測到接收數據有差（chà）錯時，則等到主設備命令幀發完後（hòu），通（tōng）知主設備（bèi）數據（jù）接收有誤。主設備則重新發命令幀，從而保證通信的準確可靠。HART中（zhōng）斷子程序流程圖如圖6所示。由於HART通信為主從方式，HART幀中每個字節在物理層傳輸需要9ms左右，為了保證通訊的實時性，通訊程序（xù）采用串行口終端接收/發（fā）送。該中斷所要完成通信中（zhōng）的主要任務，即接收和發送幀，幀（zhēn）的拆分和打包。
3.2 上位機（jī）軟件數據采集程序（xù）
1)形成讀流量（liàng）計長幀地址命令字：5個FF前導碼；起始字（zì）符為02(采用短幀格式時，主設備向從設備發送)；地址為00(輪循地址)；命令字是00(讀變送器標識（shí）命令字節數)；無數據。
2)追（zhuī）加校驗和：采用異或邏輯運算求校驗和追（zhuī）加（jiā）在字節數後（hòu），形（xíng）成完整命令。
3)按異步串行通信方式發送命令並（bìng）接收從設備回答的信息。
4)從回答的信息中提取流量計長幀地址。
5)形成讀流量計其他數據命令：5個FF前導碼；起始字符為82(采用長幀格式時，主設備向從設備發送)；地址為流量計長幀地址；命令字、字節（jiē）數和數據（jù）略；采用異或邏（luó）輯運算求校驗和，追加在字節數後，形成完整命令。
6)按異步串行通信方式發送命令並（bìng）接收儀器回答的信息（xī）。
7)從回答的信息中提取流量計數（shù）據。以後再讀取（qǔ）流量計的數據時，隻進行(5)~(7)步即（jí）可（kě）。流程圖見圖7所示。
4、結（jié）論
對研製的鑽井泥漿流量計（jì）進行（háng）試驗表（biǎo）明（míng）：該流量計集成化程度高、功能強、操作方便、性能可靠；具有自（zì）診斷（duàn）、自檢定功能和HART數據通訊功能；可測正反兩個方向流量，也可測脈動流量；抗電磁（cí）幹擾和溫度性能好，適合於現場測量和顯示；測量範圍大，準確度高。
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