基于HART協(xié)議的智能電磁流量計設(shè)計

1.引言

　　HART，即Highway Addressable Remote Transducer，是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路的簡稱，最早由美國 Rosemount公司開發(fā)并得到八十多家著名儀表公司的支持,其特點是在不干擾4～20mA模擬信號的同時允許雙向數(shù)字通訊。

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(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)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的使用和維護(hù)，因而具有較強的市場競爭力。[1]本文討論基于HART協(xié)議智能電磁流量計具體實現(xiàn)的技術(shù)問題,一是要解決硬件電路的設(shè)計問題，二是要討論實現(xiàn)HART協(xié)議命令集編程及上位機軟件的實現(xiàn) 。

2 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 模型的第一層、第二層和第七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。

2.1 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(biāo)準(zhǔn)，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(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。

2.2 數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范[2][3]

　　這一部分協(xié)議規(guī)定了HART 幀的格式，實現(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(guān)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(jié)束且經(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(jìn)行幀的識別。HART 幀的格式如圖1所示。

PREAMBLE　前導(dǎo)信號。
　　DELIM 定界符：一個獨特的或是最容易識別的字符。
　　ADDR地址字節(jié)：包含了源地址和目的地址,最高位都用來表示與該幀相關(guān)的主設(shè)備的地址。
　　COM 命令字節(jié)：表示現(xiàn)場儀表所要執(zhí)行的功能。
　　BYTE CORNT數(shù)據(jù)總長度：該值表示的是BYTE CORNT下一個字節(jié)到最后(不包括校驗字節(jié)) 的字節(jié)數(shù)。
　　DATA 數(shù)據(jù)字節(jié)。
　　CHK　奇偶校驗：縱向奇偶校驗。

　　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)中同時有兩個主設(shè)備運行，一個基本主設(shè)備，一個副主設(shè)備。從設(shè)備根據(jù)兩個主設(shè)備不同的地址來向它們分發(fā)各自的應(yīng)答命令消息。

2.3 應(yīng)用層規(guī)范[4]

　　規(guī)定了HART消息包中的3類命令，第一類是通用命令，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。

3 基于HART協(xié)議的智能電磁流量計的硬件設(shè)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(shè)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(zhuǎn)換電路送入到單片機。單片機對這些信號進(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(jìn)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(yuǎn)程通訊。

3.1 HART通訊模塊設(shè)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。圖2為調(diào)制解調(diào)器與微處理器的連接。

　　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，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)。

3.2 HT2012 與外部接口

　　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。

　　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(zhuǎn)變成相應(yīng)的方波，以便于HT2012 接收。