HART協議在智能電磁流量計中的實現

HART協議在智能電磁流量計中的實現
   摘.. 要: 現場總線控制系統代表了工業控制系統向分散化、網絡化、智能化發展的方向. 為構建現場總線型工業測控系統, 要求系統中所有儀表都應具有現場總線功能. 其中, HART 總線技術在電磁流量儀表中應用廣泛, 本文在對HART協議進行詳細分析的基礎上, 重點介紹了系統設計結構以及HART 協議在智能電磁流量計中的軟硬件實現方法. 測試結果表明, 該設計滿足現場實際要求, 達到了設計目的.
   關鍵詞: HART協議; HT2012; 幀格式
   是可尋址遠程傳感器高速公路的簡稱, 由美國Rosemount公司開發并得到八十多家儀表公司的支持, 其特點是在不干擾4~ 20mA模擬信號的同時允許雙向數字通訊. 符合HART協議的智能電磁流量計不僅可以實現各種流量的檢測和就地顯示, 還可以通過上位機進行遠程設定, 改變流量計的零點、量程, 以及完成自診斷等功能, 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競爭力[ 1- 3] . 本文討論基于HART 協議智能電磁流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件的實現.
   1.. HART 協議簡介
   HART 協議遵循ISO 制訂的OSI 開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.
   1. 1.. 物理層規范
   HART 協議采用美國電話通訊系統B ell202頻移鍵控( FSK )標準, 在4~ 20mA 的模擬0. 5 mA 的正弦波, 波特率是1 200 bps. 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1 200H z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影響4~ 20 mA 的模擬信號.
   1. 2.. 數據鏈路層規范
   這一部分協議規定了HART 幀的格式, 實現建立、維護、終結鏈路通訊功能, HART 協議根據冗余檢錯碼信息, 通過差錯檢測機制和采用自動重發請求協議( ARQ) , 實現通訊數據無差錯傳送[ 4] . 與協議相關的實體間的數據傳輸是以幀的形式實現的. 幀是用戶控制和尋址信息對用戶數據的封裝, 只有幀中的字節記數結束且經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. HART 幀的格式如圖1所示. 圖1.. HART 幀的格Fig. 1.. HART frame format .. PREAMBLE 前導信號: 實際上是同步信號, 各通訊設備可以據此略做調整, 保證信息的同步. .. DEL IM 定界符: 一個*的或是最容易識別的字符. 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: 包含了源地址和目的地址, 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, 范圍為255個. .. BYTE CORNT 數據總長度: 該值表示的是BYTE CORNT下一個字節到最后(不包括校驗字節) 的字節數. .. DATA 數據字節: 傳送用戶數據和響應數據, 但不是每個幀中都會包含數據. .. CHK 奇偶校驗: 方式是縱向奇偶校驗. 在數據鏈路層中的HART 協議是一種.. 主/從.. 協議, 即由主設備產生消息, 而從設備只在接收到發送給它的消息后才做出應答. 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據. HART 協議允許系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. 從設備根據兩個主設備不同的地址來向它們分發各自的應答命令消息. 實際上在智能現場設備與控制或監測設備的信息往返通訊, 根據傳輸信號的不同, 可以分為以下3種通訊模式: 模擬模式、模擬+ 數字模式和廣播(全數字)模式.
   1. 3.. 應用層規范
   HART協議中包含三類命令: 類為通用命令[ 5] , 適用于遵守HART 協議的所有產品, 符合HART協議的設備提供功能描述; 第二類為普通操作命令, 適用于遵守HART 協議的大部分產品, 當設備具有某些功能時, 該命令用于對這些功能的描述; 第三類為設備特殊命令, 適用于遵守HART 協議的特殊產品, 提供一些特殊的功能描述命令. HART協議對于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, 以確保互操作性.
   2.. 基于HART 協議的智能電磁流量計的硬件設計
    帶有HART 通訊協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4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前置放大后通過AD 模數轉換電路送入到單片機. 單片機對這些信號進行數據采集, 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通訊模塊實現與上位機的遠程通訊.
    2. 1.. HART通訊模塊設計
    HT2012芯片用來實現HART 協議中通訊信號的解調及調制過程. 圖2為調制解調器與微處理器的連接. 圖2.. HART接口電路F ig. 2.. The interface circuit ofHART HART信號的解調過程: 由帶通濾波器輸出的脈沖信號進入HT2012后, 調制解調器分別將脈沖信號中的1 200Hz和2 200H z解調為數字1和0, 再將數字信號由HT2012的ORXD 端口輸出, CPU 對接收到的數據進行判斷并執行相應的任務.
   2. 2.. HT2012與外部接口
   HART 數字信號規范是峰值為1 mA、平均值為0 mA正弦交流電流信號, 此信號經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~ 5 V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[ 6 ] . 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. TLC 37 組成的數字方波產生回路把經過TLC27 濾波后的正弦波轉變成相應的方波, 以便于HT2012 接收. 圖3.. 帶通濾波電路Fig. 3.. Input bandpass flitter 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, 使信號滿足HART 物理層規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絡間的串擾. 圖4.. HART整形電路Fig. 4.. Output bandpass f litter HT2012需要外部提供460. 8 kH z的時鐘信號, 且要求時鐘頻率的誤差是0. 1% , 若直接入一個460. 8 kH z的晶振不僅會引起系統功耗的增加, 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, 在系統中采用一片1. 8432MH z的晶振以產生時鐘信號, 再經分頻器CD4013 進行4分頗, 可輸出1. 8432MH z /4= 460. 8 kH z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. 3 V電壓作為其他設備的電源. HART 發出的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, 實現電壓信號到電流信號的轉換, 同時, 疊加在4 ~ 20 mA 的電流上送給接收設備, 實現了HART協議的信息的交換. 本電路耦合電容取為0. 003 3 ..F, 如圖5所示. 圖5.. AD421輸出4~ 20 mA環路電流Fig. 5.. Interrupt program
   3.. HART 通訊協議的軟件實現
   3. 1.. 智能電磁流量計串口中斷程序
   在HART通信中, 智能電磁流量計作為從設備進行通訊, 所以這里的軟件設計只是針對于從設備. 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, 則等到主設備命令幀發完后, 通知主設備數據接收有誤. 主設備則重新發命令幀, 從而保證通信的準確可靠. HART 中斷子程序流程圖如圖6所示. 由于HART 通信為主從方式, HART 幀中每個字節在物理層傳輸需要9 ms左右, 為了保證通訊的
實時性, 通訊程序采用串行口終端接收/發送. 該中斷所要完成通信中的主要任務, 即接收和發送幀, 幀的拆分和打包[ 7] .圖6.. HART中斷程序Fig. 6.. HART interrupt program
   3. 2.. 上位機軟件數據采集程序
  1)形成讀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(讀變送器標識命令字節數) ; 無數據
   2)追加校驗和: 采用異或邏輯運算求校驗和追加在字節數后, 形成完整命令.
  3)按異步串行通信方式發送命令并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、字節數和數據略; 采用異或邏輯運算求校驗和, 追加在字節數后, 形成完整命令.
  6)按異步串行通信方式發送命令并接收儀器回答的信息.
  7)從回答的信息中提取流量計數據. 以后再讀取流量計的數據時, 只進行( 5) ~ ( 7) 步即可. 流程圖見圖7所示. 圖7.. 上位機軟件數據采集流程圖F ig. 7.. F low chart of positionmachine software for data co llecting
   4.. 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; 抗電磁干擾和溫度性能好, 適合于現場測量和顯示; 測量范圍大, 準確度高. 參.. 考.. 文.. 獻: [ 1] 陽憲惠. 工業數據通信與控制網絡[M ]. 北京: 清華大學出版社, 2003. [ 2] .. 丁.. 穎, 盛惠興. HART協議解析[ J] . 現代電子技術, 2004( 1): 14- 17. [ 3] .. 鄔寬明. 現場總線技術應用選編1(上) [M ]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2003. [ 4] .. 孫廣軍. HART 現場通信協議[ J] . 電子情報, 2002 ( 3) : 66- 68. [ 5] .. Johnson D. Aybrid communicoation: a doser look atHART [ J]. Con trd Eng ine ring, 2000, 47( 11): 61- 62. [ 6] .. 衛.. 敏. 基于HART 協議的儲罐自動計量系統的設計--擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：