HART協議在地下汙（wū）水流量計中的實現

摘要：現場總線控製係統代（dài）表了工業控製係統向分散（sàn）化、網絡化、智能化發展的方向。為構建現場總線型工業測（cè）控係統，要求係統中所有儀表都（dōu）應具有現場總線功能。其中，HART總（zǒng）線技術在電磁流量儀表中應用*為（wéi）廣泛，本文在對HART協議進行詳細分析的基礎上，重（chóng）點介紹了係統（tǒng）設（shè）計結構以及HART協議在地下汙水流（liú）量計中的軟硬件實現方（fāng）法，測試結果表（biǎo）明，該設計滿足現場實際要求，達到了設計目的（de）。
HART，即Highway Addressable Remote Transduc-er，是可尋址遠程傳感器高速公路的簡（jiǎn）稱，*早由美國Rosemount公司開發並得到（dào）八十多家**儀表公司（sī）的支持，其特點是在不幹擾4~20mA模擬信號的同時允許雙（shuāng）向數字通訊。符合HART協議的地下汙水流量（liàng）計不僅可以實（shí）現（xiàn）各種（zhǒng）流量的檢測和就地顯示，還可以通過上位機進行（háng）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（jì）的（de）使用和維（wéi）護，因而具有較（jiào）強的（de）市場競爭（zhēng）力。本文討論基（jī）於HART協議（yì）地下汙水流量計具體實現的技術問題，一是要解決硬件（jiàn）電路的設計問題，二是要討（tǎo）論實現HART協議命令集編（biān）程及（jí）上位機軟件的實現。

1. HART協（xié）議簡介

HART協議遵循ISO製訂的OSI開放式係統（tǒng）互（hù）連參考模（mó）型，采用了OSI模型的*一層、*二層和*七（qī）層，即物理層、數據（jù）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的模（mó）擬0.5mA的（de）正弦（xián）波，波特率（lǜ）是1200bps。因（yīn）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（jì）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（tōng）訊信號不會影響4~20mA的模擬信號。
1.2 數據（jù）鏈路層規範
這一部分協議規定（dìng）了HART幀的（de）格式，實（shí）現建（jiàn）立、維護、終結鏈路通訊功能，HART協議根據冗餘（yú）檢錯碼信息，通過差錯檢測機製和采用（yòng）自動（dòng）重發請求（qiú）協議(ARQ)，實現通訊數據無差錯傳送。與協議相關的實體間的數據傳（chuán）輸（shū）是以（yǐ）幀（zhēn）的形式實現的。幀是用戶控（kòng）製和尋（xún）址信息對用戶數（shù）據的封裝（zhuāng），隻有幀中的字節記數結束且經（jīng）過了差錯檢驗接收正確（què）無誤或是物理層通知信號（hào）傳輸終止(如檢測不到載波)之後才（cái）可以進行幀的識別。HART幀的格式如圖1所示。

●PREAMBLE前導信號：實際上是同步信號，各通（tōng）訊設備可以據此略做調整，保證（zhèng）信息的同步。
●DELIM定界符：一個獨特的或是*容易識別的（de）字（zì）符，*高位規定幀的尋址信息分為長格式或（huò）短格式，低（dī）3位定（dìng）義了幀的類型。
●ADDR地址字節：包含了源（yuán）地址和（hé）目的地址，*高位都用來表示與該幀相關的主設備的地址。“1”表示基本主設備；“0”表示副主設備。
●COM命令字節：表示現場儀表所要執行的功能，範圍為255個。
●BYTE CORNT數據總長度：該值表示的是BYTE CORNT下（xià）一個字節到*後(不包（bāo）括校驗字節)的字節數。
●DATA數據字節：傳送用戶數據和響應數據，但不是每個幀中都（dōu）會包含數據。
●CHK奇偶校驗：方式是縱向奇偶校驗。
在（zài）數據鏈路層中的HART協議是一種“主/從”協議，即由主設備產（chǎn）生消息，而從設備隻在接收到發送給它的消息後才做（zuò）出（chū）應答（dá）。在從設備的應答消息中（zhōng）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據。HART協議允（yǔn）許係統中同時有兩個主設備運行，一個基本主設備，一個副主設備。從設備根據兩個（gè）主設備不同（tóng）的地址來向它們分發各自的應答命令消息。實際上在（zài）智能現場設備與（yǔ）中央控製或監（jiān）測設備的信息往返通訊，根據傳輸信號的不同，可以分為（wéi）以下3種通訊模式（shì）：模擬模（mó）式、模擬+數字模式和廣播(全數字)模式。
1.3 應用層規範
HART協議中包含三類命令：*一類（lèi）為通用命令，適用於遵（zūn）守HART協議的所有產品，符合HART協議的設備提供功能描（miáo）述；*二（èr）類為普通操作命令，適用於遵守HART協議的（de）大部分產品，當（dāng）設備具有某些功能時（shí），該命令用於對這些功能的描述；*三類為設備特殊命令，適用於遵守HART協（xié）議的特殊產品，提（tí）供一些特殊的功能（néng）描（miáo）述命令。HART協議對於廠家生產的具有（yǒu）特殊功能的產品還提供（gòng）了設備描述語言DDL，以確（què）保互操作性。

1. 基於HART協議（yì）的（de）地下汙水流量計的硬件設計

帶有HART通訊協議的地下汙水流量計的硬件係統（tǒng）電路采用模塊化設計，主要包括傳感器模塊、MCU模塊（kuài）、HART通訊模（mó）塊和人機界麵模塊4個部分。由單片機控製的低頻勵磁電流（liú）輸出（chū）到傳感器（qì）的勵磁線圈中，同時來（lái）自電磁流量傳感器的微小電勢信號（hào）經前（qián）置放大後通過AD模數轉換（huàn）電路送入到單片機。單片機對（duì）這些信號進行數據采集，分析處理（lǐ）送至液晶顯示（shì）屏進（jìn）行瞬時流量（liàng）和累積流量的顯（xiǎn）示。同時（shí）單片（piàn）機通過計（jì）算公式對得到的流量值進行補償，將補償後的流量信號通過HART通訊模塊實現與上（shàng）位機的（de）遠程通訊。
2.1 HART通訊（xùn）模塊（kuài）設計
HT2012芯片用來（lái）實現HART協議中通訊信號的解調及調製過程。圖2為調製解調器與（yǔ）微處（chù）理器（qì）的連接。

HARTHART信號的解調過程（chéng）：由帶通濾波器輸出（chū）的脈（mò）衝（chōng）信號進（jìn）入HT2012後，調製解調器分別將脈衝信號中的1200Hz和2200Hz解調為數字1和0，再將數字信號由HT2012的ORXD端口輸出，CPU對（duì）接收到的數據進行判斷並（bìng）執行相應的任務。
2.2 HT2012與外部接口
HART數字信號規範是峰值為1mA、平均值為（wéi）0mA正弦交流電流信號（hào），此信號經線路（lù）阻抗轉化為（wéi）正弦交流電（diàn）壓（yā）信號，而HT2012輸入和輸出信（xìn）號是0~5V的（de）方波信號，因此在HT2012和外部的HART信號之（zhī）間還需要有濾波電（diàn）路和整（zhěng）形電路。如圖3所示，由TLC27組成的濾波（bō）器是帶通濾波器，用來減少接收（shōu）信號的噪聲幹擾（rǎo）。濾波器還用來消除波形中（zhōng）的尖峰，從而使接收到的信號變得平（píng）緩。TLC37組成的數字方波產生（shēng）回路把經過TLC27濾波後的正弦波轉變成相應（yīng）的（de）方波，以便於HT2012接（jiē）收（shōu）。

如圖4所（suǒ）示，緩衝器74HC126的作用是使方波的上升（shēng）沿和下降沿趨於平緩（huǎn），使信號滿足HART物理層規範所要求的信號波形上升（shēng）沿和下沿的時要求（qiú），因為較平緩的上升沿和下降（jiàng）沿（yán）時間可以降低與（yǔ）其它網絡間的（de）串擾。

HT2012需要外部提（tí）供460.8kHz的時鍾（zhōng）信號，且要求時鍾頻率的誤差是0.1%，若（ruò）直接入一個460.8kHz的晶振不（bú）僅會引起係（xì）統功耗的增加，而且（qiě）該晶振屬於非標準晶振（zhèn），需專（zhuān）門定製。為了解決這一問題，在係統中采用一片1.8432MHz的晶振以產生時鍾信號，再經分頻（pín）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（bù）的場效應管DN25D對輸入到AD421的電壓進行調整，可提（tí）供+3.3V電壓作為其他（tā）設備的電源（yuán）。HART發出的FSK信號，經過一個電容耦（ǒu）合送（sòng）到AD421中，轉換成相應的0.5mA正（zhèng）弦電流信號，實現電壓信號到電流信號的轉換，同時，疊加在4~20mA的電（diàn）流上送給接（jiē）收設備，實現（xiàn）了HART協議的信息的交換。本電路耦合電容取為0.0033μF，如圖5所（suǒ）示。

1. HART通（tōng）訊協議的軟件實現

3.1 地下汙水流量計串口中斷程序
在HART通信中（zhōng），地下汙水流量計作為從設備進行通訊，所以這裏的軟（ruǎn）件設（shè）計隻是（shì）針對於從設備。HART通信（xìn）采用水平和（hé）垂直校驗的方法。當檢測到接（jiē）收數據有差錯時，則等到主設備命令幀發完後，通知主設備數據（jù）接收有誤。主設備則重新發命（mìng）令（lìng）幀，從而保證通信的準（zhǔn）確可靠。HART中斷子程（chéng）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（zì）節在物理層傳輸需要9ms左右，為了保（bǎo）證通（tōng）訊的實（shí）時性，通訊程序（xù）采用串行口終端接收/發送（sòng）。該中斷（duàn）所要完成通信中的（de）主要任務，即接收和發送幀，幀的拆分和打包。

3.2 上位機軟件數據采集（jí）程序
1)形成讀（dú）流量計長幀地址命令字：5個FF前導碼；起始字符為02(采用短幀格式時，主設（shè）備向從（cóng）設（shè）備發送)；地址（zhǐ）為00(輪循地址)；命令字是00(讀變送器標識命（mìng）令字節數)；無（wú）數據（jù）。
2)追加校（xiào）驗和：采用異或邏輯運（yùn）算求校驗和（hé）追加（jiā）在（zài）字節數後，形成完整命令。
3)按異步串行通信方式發送命令並接收從設備回答的信息。
4)從回（huí）答的信息中提（tí）取流量計長幀地址。
5)形（xíng）成（chéng）讀流量計（jì）其他數據命令：5個FF前（qián）導碼；起始字符為82(采用長幀格式（shì）時，主設（shè）備向從設備發（fā）送)；地址為流量計長幀地址；命令字、字節數和數據略；采用異（yì）或邏輯（jí）運算求校驗和，追（zhuī）加（jiā）在字節數後，形成完整命令。
6)按（àn）異步串（chuàn）行通信方式發送命令並接收儀器回答的（de）信息。
7)從（cóng）回答的信息中提取流量計數據。以後（hòu）再讀取流量計的數據時，隻進行(5)~(7)步即可。流（liú）程圖見圖7所示。

1. 結論

對研製（zhì）的地下汙水（shuǐ）流量計進行試驗表明：該流量計集成化程度高、功能（néng）強（qiáng）、操作方便（biàn）、性能可靠；具有自診斷（duàn）、自檢定功能和HART數據（jù）通訊功能；可測正反兩個方向（xiàng）流（liú）量，也可測脈（mò）動流量；抗電磁幹擾和溫度（dù）性能好，適合於現場測量和顯示；測量範圍（wéi）大，準確度高。

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