一、前言
符合HART協(xié)議的智能電磁流量計不僅可以實現(xiàn)各種流量的檢測和就地顯示,還可以通過上位計進行遠程設定,改變流量計的零點量程,以及完成自診斷等功能,因此在流量計的使用和維護中更加方便。
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)鏈路層和應用層。
1.物理層規(guī)范
HART協(xié)議采用美國電話通訊系統(tǒng)Bell202頻移鍵控(FSK)標準在4~20mA的模擬±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(xù)頻移鍵控技術要求在波特率為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,實現(xiàn)建立、維護、數(shù)據(jù)鏈路通訊功能,HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯碼信息,通過差錯檢測機制和采用自動重發(fā)請求協(xié)議(ARQ),實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯傳送與協(xié)議相關的數(shù)據(jù)傳輸是以幀的形式實現(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)結東且經(jīng)過了差錯檢驗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。在從設備的應答消息中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(shù)據(jù)。HART協(xié)議允許系統(tǒng)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(jù)兩個主設備不同的地址來向它們分發(fā)各自的應答命令消息。
3.應用層規(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;第三類是設備特殊命令,適用于遵守HART協(xié)議的特殊產(chǎn)品。
三、基于HART協(xié)議的智能電磁流量計的通訊模塊設計
帶有HART通訊協(xié)議的智能電磁流量計的硬件系統(tǒng)電路采用模塊化設計,主要包括傳感器模塊,MCU模塊、HART通訊模塊和人機界面模塊四個部分。
由單片機控制的低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號經(jīng)前置放大后通過AD模數(shù)轉換電路送入到單片機。單片機對這些信號進行數(shù)據(jù)采集,分析處理送至液晶顯示屏進行瞬時流量和累積流量的顯示。同時單片機通過計算公式對得到的流量值進行補償,將補償后的流量信號通過HART通訊模塊實現(xiàn)與上位機的遠程通訊。本文只介紹HART通訊模塊設計:
HT2012芯片用來實現(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)進行判斷并執(zhí)行相應的任務。
HART數(shù)字信號規(guī)范是峰值為1mA、平均值為OmA正弦交流電流信號,此信號經(jīng)線路阻抗轉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擾。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濾波后的正弦波轉變成相應的方波,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要求,因為較平緩的上升沿和下降沿時間可以降低與其它網(wǎng)絡間的串擾。HT2012需要外部提供460.8kHz的時鐘信號,且要求時鐘頻率的誤差是±0.1%,若直接輸入一個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準晶振,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)生時鐘信號,再經(jīng)分頻器CD4013進行4分頻,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)器與外部的場效應管DN25D對輸入到AD421的電壓進行調(diào)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(jīng)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(xiàn)電壓信號到電流信號的轉換,同時,疊加在4~20mA的電流上送給接收設備,實現(xiàn)了HART協(xié)議的信息的交換。本電路耦合電容取為0.0033uF。
四、HART通訊協(xié)議的軟件實現(xiàn)
1.智能電磁流量計串口中斷程序
在串行口中斷服務程序中,首先保護現(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)行接收服務子程序,否則執(zhí)行發(fā)送服務子程序。中斷處理結束后,恢復現(xiàn)場并返回系統(tǒng)主程序。HART通信采用水平和垂直校驗的方法。當檢測到接收數(shù)據(jù)有差錯時,則等到主設備命令幀發(fā)完后,通知主設備數(shù)據(jù)接收有誤。主設備則重新發(fā)命令幀,從而保證通信的準確可靠在對命令幀響應之前先要將該幀拆分,即首先判斷該幀前導碼是否正確,每接收一個前導碼,計數(shù)器加1,再接收定界符,若為有效的定界符且前導碼計數(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,若為應答幀或成組模式幀則終止接收服務,等待載波結東:若為請求幀,則確定幀格式,設置接收長幀格式或短幀格式地址計數(shù)值,短幀格式地址接收1個字節(jié),長幀格式地址接收5個字節(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)奇偶校驗錯誤則終止接收服務,等待載波結束;否則設置數(shù)據(jù)字節(jié)長度計數(shù)器,每接收一個數(shù)據(jù)字節(jié),長度計數(shù)器減1,ZUI后接收平校驗和。若接收請求地址匹配,對接收的HART幀異或求水平校驗和,并與接收水平校驗和進行比較,相同則表示無通訊錯誤,否則置水平校驗和錯誤標志為1,結束接收服務并轉入HART命令執(zhí)行子程序。
五、結論
對研制的智能電磁流量計進行試驗表明:該流量計集成化程度高功能強、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,準確度高。
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