摘要:hart,即highwayaddresableremotetransducer,是可尋(xún)址遠程(chéng)傳感器(qì)高速(sù)公路(lù)的簡(jiǎn)稱，其特點(diǎn)是在(zài)不幹擾(rǎo)4~20ma模(mó)拟信号的(de)同(tóng)時(shí)允許(xǔ)雙向(xiàng)數(shù)字通訊。本文(wén)從(cóng)兩方面(miàn)讨(tǎo)論基(jī)于hart協議(yì)智能電磁(cí)流量(liàng)計具(jù)體實(shí)現的(de)技術問題，一是要解決硬件電(diàn)路的設(shè)計問題(tí)，二是要讨論(lùn)實現hart協(xié)議命(mìng)令集(jí)編程(chéng)及(jí)上位機(jī)軟件(jiàn)的實現。智能(néng)電磁(cí)流(liú)量計設計應用(yòng)hart協(xié)議
一、前言
符(fú)合hart協議的(de)智能(néng)電磁流量(liàng)計(jì)
不僅可(kě)以實(shí)現各種流(liú)量的檢測(cè)和就(jiù)地顯示，還可以(yǐ)通過上位計進(jìn)行遠程(chéng)設定，改變流量計的零(líng)點、量程，以(yǐ)及完(wán)成自診斷(duàn)等功能，因此(cǐ)在流量(liàng)計的使用和維(wéi)護中(zhōng)更加方便(biàn)。
二、hart協議簡介
hart協議遵(zūn)循(xún)iso制訂的(de)os1開放式(shì)系統互連參(cān)考模型，采用了osi模型(xíng)的第(dì)--層、第(dì)二層和第(dì)七層(céng)，即物(wù)理層(céng)、數據(jù)鏈(liàn)路層和(hé)應用(yòng)層。
1.物(wù)理層規(guī)範(fàn)
hart協(xié)議采用(yòng)美國(guó)電(diàn)話(huà)通訊系統(tǒng)bel1202頻移鍵控(kòng)(fsk)标準(zhǔn)，在(zài)4~20ma的模拟士0.5ma的正弦波，波(bō)特率(lǜ)是(shì)1200bps.因爲所(suǒ)疊加的正弦信(xìn)号平均值爲0,而(ér)且相(xiàng)位連續頻(pín)移鍵控技術要(yào)求在波特率爲(wèi)1200hz的數(shù)據位(wèi)1和(hé)0的邊界的相(xiàng)位角是連續的(de)，所以數字通訊信号(hào)不會(huì)影(yǐng)響4~20ma的模(mó)拟信号。
2.數據鏈(liàn)路層規範(fàn)
這一(yī)部分(fèn)協議規定了hart幀的格(gé)式，實(shí)現建立、維護、數(shù)據鏈路(lù)通訊功(gōng)能，hart協議根(gēn)據冗(rǒng)餘檢錯碼信息(xī)，通過(guò)差錯檢測機制(zhì)和采(cǎi)用自(zì)動重發請求協(xié)議(arq),實現通訊數(shù)據無(wú)差(chà)錯傳送。與協議(yì)相(xiàng)關的(de)數(shù)據(jù)傳輸是以(yǐ)幀的形式(shì)實現(xiàn)的。幀(zhēn)是用戶控(kòng)制和尋(xún)址(zhǐ)信息(xī)對用(yòng)戶(hù)數(shù)據的(de)封裝，隻(zhī)有(yǒu)幀中(zhōng)的字(zì)節記數(shù)結束且經過(guò)了差(chà)錯檢驗(yàn)接收正确無(wú)誤或是物(wù)理層通(tōng)知信号(hào)傳輸終止(如檢測不(bú)到載波)之後才可以(yǐ)進行(háng)幀的識别。
在數據鏈路層(céng)中的(de)hart協議是--種“主1從(cóng)”協議。在從設備(bèi)的應答消(xiāo)息中(zhōng)除了(le)已被(bèi)接收(shōu)的确認命(mìng)令，許(xǔ)多消息中(zhōng)還包含了(le)主(zhǔ)設(shè)備詢問的數據。hart協議允許(xǔ)系統中同時有兩個(gè)主設(shè)備運行，一個基(jī)本主設(shè)備(bèi)，一個副主設(shè)備。從設(shè)備根據兩(liǎng)個主(zhǔ)設備不同的地(dì)址來向(xiàng)它們分發各自(zì)的應答命令消息。
3.應用層規(guī)範
規定了(le)hart消息包(bāo)中的3類(lèi)命令，第一類是(shì)通用(yòng)命令,适用(yòng)于遵守(shǒu)hart協議的(de)所有産品，爲符合hart協議(yì)的設備(bèi)提供功能描述(shù);第二類(lèi)是(shì)普通(tōng)操作命令(lìng),适用于遵(zūn)守hart協議的(de)大部(bù)分産品;第(dì)三類(lèi)是設備特(tè)殊命令(lìng),适(shì)用于(yú)遵守hart協議的特(tè)殊産品。
三、基于(yú)hart協議(yì)的(de)智能電(diàn)磁流量計的通訊模(mó)塊設計
帶(dài)有hart通訊(xùn)協(xié)議的智能(néng)電磁流量(liàng)計的硬件系統電路(lù)采(cǎi)用(yòng)模塊(kuài)化設計(jì)，主(zhǔ)要包(bāo)括傳感(gǎn)器模塊(kuài)，mcu模塊、hart通訊(xùn)模塊(kuài)和人(rén)機界面模(mó)塊四(sì)個部(bù)分。
由(yóu)單片(piàn)機(jī)控制的(de)低頻勵磁(cí)電流輸出到傳(chuán)感器(qì)的勵磁(cí)線圈中，同時(shí)來自(zì)電磁(cí)流量傳感(gǎn)器的(de)微小(xiǎo)電勢信号(hào)經前置放(fàng)大後通過(guò)ad模數轉換(huàn)電路(lù)送入到單(dān)片機。單片機對(duì)這些信(xìn)号(hào)進行(háng)數據(jù)采集，分析(xī)處理送至液晶顯示屏進行瞬(shùn)時流量和累積(jī)流量(liàng)的顯示。同(tóng)時單(dān)片機(jī)通過(guò)計算公(gōng)式對得(dé)到的流量值進(jìn)行補償，将補償(cháng)後的流量信号(hào)通過(guò)hart通(tōng)訊(xùn)模塊(kuài)實現與(yǔ)上位機(jī)的遠程(chéng)通訊。本(běn)文隻(zhī)介紹(shào)hart通訊(xùn)模塊(kuài)設(shè)計:
ht2012芯片(piàn)用來實現hart協議(yì)中通訊信(xìn)号的(de)解調及調(diào)制過程。hart信(xìn)号的解調過程:由(yóu)帶(dài)通濾波器(qì)輸出(chū)的脈(mò)沖信号(hào)進入ht2012後(hòu)，調制解調器(qì)分别将脈沖(chòng)信号(hào)中的1200hz和(hé)2200hz解調爲數字(zì)1和(hé)0，再将數(shù)字信号(hào)由ht2012的orxd端(duān)口輸出，微處理器(cpu)對接收(shōu)到的數據(jù)進行判斷并執(zhí)行(háng)相應的(de)任務。
hart數字信号(hào)規範(fàn)是峰值爲(wèi)1ma、平均值爲(wèi)0ma正弦(xián)交流電流信号，此信号經線路(lù)阻(zǔ)抗轉化爲正(zhèng)弦交流電(diàn)壓信号，而(ér)ht2012輸入和輸(shū)出信号是0~5v的方(fāng)波信号，因此在ht2012和外部的hart信号之間還需要(yào)有(yǒu)濾波電(diàn)路(lù)和整(zhěng)形電路。
由tlc27組成(chéng)的濾波器是帶通濾波(bō)器，用來(lái)減少(shǎo)接收(shōu)信号的噪聲幹擾。濾(lǜ)波器還(hái)用來消除波(bō)形中的尖峰，從而使接收(shōu)到的信号變得(dé)平緩。tlc37組(zǔ)成的數字方波産生回路把(bǎ)經過tlc27濾波(bō)後的(de)正弦波轉(zhuǎn)變成相應的(de)方(fāng)波，以(yǐ)便于(yú)ht2012接收(shōu)。
緩沖器74hc126的作用是使(shǐ)方(fāng)波的上升沿和下降沿(yán)趨于(yú)平緩,使信(xìn)号滿足hart物理層規範(fàn)所要求的(de)信号(hào)波形(xíng)上升(shēng)沿(yán)和下沿的時(shí)要求，因爲(wèi)較平(píng)級的(de)上升沿和(hé)下降沿(yán)時間可以降(jiàng)低與其它(tā)網絡間(jiān)的串擾(rǎo)。ht2012需要外部(bù)提供(gòng)460.8khz的時鍾(zhōng)信(xìn)号，且(qiě)要求(qiú)時鍾頻率(lǜ)的誤(wù)差是土0.1%，若直接(jiē)輸入一個(gè)460.8khz的晶振不(bú)僅會(huì)引起系統(tǒng)功耗的增加(jiā)，而且該晶振(zhèn)屬(shǔ)于非标準晶振(zhèn)，需專門定制。爲了解決這一-問題，在系(xì)統中采用一片(piàn)1.8432mhz的晶振以(yǐ)産生時鍾信号，再經(jīng)分頻器(qì)cd4013進(jìn)行4分頗，可(kě)輸出1.8432mhz/4=460.8khz的分(fèn)頻信号供ht2012使用。
ad421其内(nèi)部的電壓(yā)調節(jiē)器與外部(bù)的場(chǎng)效應管dn25d對(duì)輸入(rù)到ad421的(de)電壓進行調(diào)整，可提(tí)供+3.3v電(diàn)壓作(zuò)爲其他設備的(de)電源(yuán)。hart發出的fsk信(xìn)号(hào)，經(jīng)過-一個電容耦(ǒu)合送到ad421中，轉換(huàn)成相(xiàng)應的土0.5ma正弦電(diàn)流信号，實(shí)現電(diàn)壓信号到(dào)電流信号(hào)的轉(zhuǎn)換，同時，疊加在(zài)4~20ma的電(diàn)流上(shàng)送給接收設備，實現(xiàn)了hart協議的信息(xī)的交換。本(běn)電路耦合電容取爲(wèi)0.0033μf。
四、hart通(tōng)訊協議的(de)軟件實現
1.智能(néng)電磁流量計(jì)串(chuàn)口中斷程(chéng)序
在(zài)串行(háng)口中斷服務程序(xù)中，首先(xiān)保護(hù)現場，然後(hòu)判斷是接收中(zhōng)斷還是發送中(zhōng)斷，若(ruò)爲接收中斷則(zé)執(zhí)行接收(shōu)服務子程序，否(fǒu)則執行發送服(fú)務子程序(xù)。中斷處理(lǐ)結束(shù)後，恢(huī)複現(xiàn)場幷返回系統(tǒng)主程序。hart通(tōng)信采用(yòng)水平和垂直(zhí)校驗的方(fāng)法。當(dāng)檢測到接收數(shù)據有差錯時，則等到主設(shè)備命令幀發完(wán)後，通知主設備(bèi)數據接收有誤。主設(shè)備則重新(xīn)發(fā)命令幀，從而(ér)保證通信(xìn)可靠。
在對(duì)命令(lìng)幀響(xiǎng)應之(zhī)前先要将(jiāng)該幀(zhēn)拆分，即首(shǒu)先判斷(duàn)該幀前導碼(mǎ)是(shì)否(fǒu)正确(què)，每接收一(yī)個前(qián)導碼(mǎ)，計數器加(jiā)1,再接收定界符(fú)，若(ruò)爲(wèi)有效(xiào)的定(dìng)界符且前導碼(mǎ)計數器大于1,則爲hart幀的(de)起始位置，根據定界符(fú)确定(dìng)hart幀的(de)類型(xíng)，若爲應答(dá)幀或(huò)成組模式幀則(zé)終止接(jiē)收服務(wù)，等待(dài)載波結束(shù);若爲請求幀，則(zé)确定幀(zhēn)格(gé)式，設(shè)置接收長幀格式或短幀(zhēn)格式地址計數(shù)值，短幀格式地址接(jiē)收1個字節,長幀(zhēn)格式(shì)地址(zhǐ)接收(shōu)5個字(zì)節。再接收(shōu)命令(lìng)号,數(shù)據字(zì)節長度字節，若(ruò)數據字節長度(dù)字節出現(xiàn)奇偶校驗錯(cuò)誤則終(zhōng)止接(jiē)收服務，等待載波結束;否(fǒu)則設置數據字(zì)節長度計(jì)數器(qì)，每接收(shōu)-一個數(shù)據字(zì)節，長度計(jì)數器減(jiǎn)1,最後接(jiē)收水平校(xiào)驗和。若接收請求地址匹配，對(duì)接收(shōu)的hart幀(zhēn)異或求水(shuǐ)平校驗(yàn)和，并與(yǔ)接收(shōu)水平校(xiào)驗(yàn)和進行比較，相同則(zé)表示無通(tōng)訊錯誤，否則置(zhì)水平(píng)校驗和錯(cuò)誤标(biāo)志爲(wèi)1,結(jié)束接收(shōu)服(fú)務并轉(zhuǎn)入hart命令執(zhí)行子程序(xù)。
五、結(jié)論
對研制的智能電(diàn)磁流(liú)量計(jì)進行(háng)試驗表明:該流量計集(jí)成化程(chéng)度高、功能強、操作方便、性能可(kě)靠;具(jù)有自診斷、自檢定功能和(hé)hart數據通(tōng)訊功能(néng);可測(cè)正反兩個(gè)方向流量(liàng)，也可(kě)測脈動流量;抗(kàng)電磁幹擾(rǎo)和溫度性能好，适合于現(xiàn)場測(cè)量和顯示(shì);測量範圍(wéi)大,精(jīng)度高。
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