1.引言
HART，即Highway Addressable Remote Transducer，是可尋址遠程傳感器高速公路的簡(jiǎn)稱(chēng)，zui早由美國 Rosemount公司開(kāi)發(fā)并得到八十多家儀表公司的支持,其特點(diǎn)是在不干擾4～20mA模擬信號的同時(shí)允許雙向數字通訊。
符合HART協(xié)議的智能電磁流量計不僅可以實(shí)現各種流量的檢測和就地顯示，還可以通過(guò)上位計進(jìn)行遠程設定，改變流量計的零點(diǎn)、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，因而具有較強的市場(chǎng)競爭力。[1]本文討論基于HART協(xié)議智能電磁流量計具體實(shí)現的技術(shù)問(wèn)題,一是要解決硬件電路的設計問(wèn)題，二是要討論實(shí)現HART協(xié)議命令集編程及上位機軟件的實(shí)現 。
2 HART協(xié)議簡(jiǎn)介
HART協(xié)議遵循ISO制訂的OSI 開(kāi)放式系統互連參考模型，采用了OSI 模型的*層、第二層和第七層，即物理層、數據鏈路層和應用層。
2.1 物理層規范
HART 協(xié)議采用美國通訊系統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，而且相位連續頻移鍵控技術(shù)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，所以數字通訊信號不會(huì )影響4～20mA的模擬信號。
2.2 數據鏈路層規范[2][3]
這一部分協(xié)議規定了HART 幀的格式，實(shí)現建立、維護、數據鏈路通訊功能，HART協(xié)議根據冗余檢錯碼信息，通過(guò)差錯檢測機制和采用自動(dòng)重發(fā)請求協(xié)議（ARQ），實(shí)現通訊數據無(wú)差錯傳送。
與協(xié)議相關(guān)的數據傳輸是以幀的形式實(shí)現的。幀是用戶(hù)控制和尋址信息對用戶(hù)數據的封裝，只有幀中的字節記數結束且經(jīng)過(guò)了差錯檢驗接收正確無(wú)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 前導信號。
DELIM 定界符：一個(gè)*的或是zui容易識別的字符。
ADDR地址字節：包含了源地址和目的地址,zui高位都用來(lái)表示與該幀相關(guān)的主設備的地址。
COM 命令字節：表示現場(chǎng)儀表所要執行的功能。
BYTE CORNT數據總長(cháng)度：該值表示的是BYTE CORNT下一個(gè)字節到zui后（不包括校驗字節） 的字節數。
DATA 數據字節。
CHK 奇偶校驗：縱向奇偶校驗。
在數據鏈路層中的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(xún)問(wèn)的數據。HART協(xié)議允許系統中同時(shí)有兩個(gè)主設備運行，一個(gè)基本主設備，一個(gè)副主設備。從設備根據兩個(gè)主設備不同的地址來(lái)向它們分發(fā)各自的應答命令消息。
2.3 應用層規范[4]
規定了HART消息包中的3類(lèi)命令，*類(lèi)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(lèi)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(lèi)是設備特殊命令，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計
帶有HART通訊協(xié)議的智能電磁流量計的硬件系統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(gè)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(xiàn)圈中，同時(shí)來(lái)自電磁流量傳感器的微小電勢信號經(jīng)前置放大后通過(guò)AD模數轉換電路送入到單片機。單片機對這些信號進(jìn)行數據采集，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)單片機通過(guò)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(guò)HART通訊模塊實(shí)現與上位機的遠程通訊。
3.1 HART通訊模塊設計
HT2012 芯片用來(lái)實(shí)現HART 協(xié)議中通訊信號的解調及調制過(guò)程。圖2為調制解調器與微處理器的連接。
HART 信號的解調過(guò)程：由帶通濾波器輸出的脈沖信號進(jìn)入HT2012 后，調制解調器分別將脈沖信號中的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 對接收到的數據進(jìn)行判斷并執行相應的任務(wù)。
3.2 HT2012 與外部接口
HART數字信號規范是峰值為1mA、平均值為0mA正弦交流電流信號,此信號經(jīng)線(xiàn)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。
如圖3所示，由TLC27 組成的濾波器是帶通濾波器，用來(lái)減少接收信號的噪聲干擾。濾波器還用來(lái)消除波形中的尖峰，從而使接收到的信號變得平緩。TLC37 組成的數字方波產(chǎn)生回路把經(jīng)過(guò)TLC27 濾波后的正弦波轉變成相應的方波，以便于HT2012 接收。
如圖4所示，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(mǎn)足HART 物理層規范所要求的信號波形上升沿和下沿的時(shí)要求，因為較平緩的上升沿和下降沿時(shí)間可以降低與其它網(wǎng)絡(luò )間的串擾。
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%，若直接入一個(gè)460.8kHz的晶振不僅會(huì )引起系統功耗的增加，而且該晶振屬于非標準晶振，需專(zhuān)門(mén)定制。為了解決這一問(wèn)題，在系統中采用一片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其內部的電壓調節器與外部的場(chǎng)效應管DN25D對輸入到AD421的電壓進(jìn)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(jīng)過(guò)一個(gè)電容耦合送到AD421中，轉換成相應的±0.5mA正弦電流信號，實(shí)現電壓信號到電流信號的轉換，同時(shí)，疊加在4～20mA的電流上送給接收設備，實(shí)現了HART協(xié)議的信息的交換。本電路耦合電容取為0. 0033μF。
4 HART通訊協(xié)議的軟件實(shí)現
4.1 智能電磁流量計串口中斷程序[5]
在串行口中斷服務(wù)程序中，首先保護現場(chǎng)，然后判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷，若為接收中斷則執行接收服務(wù)子程序，否則執行發(fā)送服務(wù)子程序。中斷處理結束后，恢復現場(chǎng)并返回系統主程序。HART通信采用水平和垂直校驗的方法。當檢測到接收數據有差錯時(shí)，則等到主設備命令幀發(fā)完后，通知主設備數據接收有誤。主設備則重新發(fā)命令幀，從而保證通信的準確可靠。HART串口中斷子程序流程圖如圖5所示。
4.2 HART命令拆分子程序[6][7]
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(gè)前導碼，計數器加1。再接收定界符，若為有效的定界符且前導碼計數器大于1，則為HART幀的起始位置，根據定界符確定HART幀的類(lèi)型，若為應答幀或成組模式幀則終止接收服務(wù)，等待載波結束；若為請求幀，則確定幀格式，設置接收長(cháng)幀格式或短幀格式地址計數值，短幀格式地址接收1個(gè)字節，長(cháng)幀格式地址接收5個(gè)字節。再接收命令號，數據字節長(cháng)度字節，若數據字節長(cháng)度字節出現奇偶校驗錯誤則終止接收服務(wù)，等待載波結束；否則設置數據字節長(cháng)度計數器，每接收一個(gè)數據字節，長(cháng)度計數器減1，zui后接收水平校驗和。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(jìn)行比較，相同則表示無(wú)通訊錯誤，否則置水平校驗和錯誤標志為1，結束接收服務(wù)并轉入HART命令執行子程序。命令幀拆分程序流程如圖6所示。
5 結論
對研制的智能電磁流量計進(jìn)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數據通訊功能；可測正反兩個(gè)方向流量，也可測脈動(dòng)流量；抗電磁干擾和溫度性能好，適合于現場(chǎng)測量和顯示；測量范圍大，準確度高。
上一篇：壓力表的維護保養三法則
下一篇：柴油流量計原理及價(jià)格
在線(xiàn)客服