摘要(yào):現場總(zǒng)線控制系統代(dài)表了工業控制(zhì)系統(tǒng)向分散化(huà)、網絡化、智(zhì)能化(huà)發展的方向.爲(wèi)構建現場(chǎng)總線(xiàn)型工(gōng)業(yè)測控系(xì)統,要求系統中所有(yǒu)儀表都應(yīng)具有(yǒu)現場總線(xiàn)功能.其中,hart總線(xiàn)技術在(zài)電(diàn)磁流量儀(yí)表中應用(yòng)最爲(wèi)廣泛,本文在對hart協議進行(háng)詳細(xì)分析的基礎上(shàng),重點介紹(shào)了系統設計結(jié)構以(yǐ)及hart協議在(zài)智能電磁流量計 中的軟(ruǎn)硬件(jiàn)實.現方(fāng)法.測試(shì)結果表(biǎo)明,該設計滿足現(xiàn)場實際要求,達到了(le)設計(jì)目的.
　　hart,即highwayaddressableremotetransdueer是(shì)可尋(xún)址遠程傳(chuán)感器高(gāo)速公路(lù)的簡稱,其(qí)特點(diǎn)是在不幹(gàn)擾4~20ma模(mó)拟信号的同時(shí)允許雙(shuāng)向數:字(zì)通訊.符(fú)合hart協議的智能電(diàn)磁流(liú)量計不僅可以(yǐ)實現各種流量(liàng)的檢(jiǎn)測和(hé)就地(dì)顯示(shì),還可(kě)以通過上(shàng)位機(jī)進行遠程設定,改變(biàn)流量計的零點(diǎn).量程,以及完成(chéng)自診斷(duàn)等(děng)功能(néng),在很大程度上(shàng)方便了(le)流量計(jì)的使用和(hé)維護(hù),因而(ér)具有較強(qiáng)的市(shì)場(chǎng)競(jìng)争力(lì)l-31.本文讨論(lùn)基于(yú)hart協議智能電磁(cí)流量計具(jù)體實(shí)現的(de)技術(shù)問題,一.是(shì)要(yào)解(jiě)決硬(yìng)件電路的設計(jì)問題,二是(shì)要讨(tǎo)論實現(xiàn)hart協(xié)議命令集編程及上(shàng)位機軟件的實(shí)現.
1hart協議簡介
　　hart協(xié)議(yì)遵(zūn)循(xún)iso制訂的(de)osi開放(fàng)式系(xì)統互連參考模(mó)型,采(cǎi)用了osi模型(xíng)的第(dì)一層、第二層和第(dì)七層,即(jí)物理(lǐ)層、數據(jù)鏈路(lù)層(céng)和應用(yòng)層(céng).
1.1物理(lǐ)層規範(fàn)
　　hart協(xié)議采(cǎi)用美國電話通(tōng)訊系統bel202頻.移鍵(jiàn)控(fsk)标(biāo)準(zhǔn),在4~20ma的模(mó)拟q5ma的正弦波,波(bō)特率是(shì)1200bps因(yīn)爲所(suǒ)疊加(jiā)的正弦信(xìn)号平均值(zhí)爲0而(ér)且相位連續頻(pín)移鍵控技術要(yào)求在(zài)波特(tè)率爲1200hz的數(shù)據位(wèi)1和0的邊界的相位角是連續的,所(suǒ)以(yǐ)數字通訊信号(hào)不會(huì)影響4~20ma的模拟信号.
1.2數據鏈路層規範
　　這一(yī)部分協(xié)議規定(dìng)了hart幀的格式,實(shí)現建立、維護、終結鏈(liàn)路通訊功(gōng)能,hart協(xié)議(yì)根(gēn)據冗(rǒng)餘檢錯碼信息(xī),通過差錯(cuò)檢測機制(zhì)和采用自(zì)動重發請求協議(arq),實現通訊數(shù)據無差(chà)錯傳送.
　　與協議相(xiàng)關的實體間(jiān)的(de)數據(jù)傳輸是以幀的(de)形式實現(xiàn)的.幀(zhēn)是用戶控制和(hé)尋址信息(xī)對用(yòng)戶數(shù)據的(de)封裝(zhuāng),隻有幀中(zhōng)的字(zì)節記數結(jié)束且(qiě)經過(guò)了差(chà)錯檢驗接(jiē)收正确無(wú)誤或是物理層(céng)通知信号傳輸終止(zhǐ)(如(rú)檢(jiǎn)測不到載波)之(zhī)後(hòu)才(cái)可以進行(háng)幀的(de)識别(bié).hart幀(zhēn)的格式如圖(tú)1所示(shì).
 
●preamble前導(dǎo)信(xìn)号:實際上是(shì)同步信号,各(gè)通(tōng)訊設(shè)備可以據(jù)此略做調整,保(bǎo)證信(xìn)息的同步(bù).
●delm定界符(fú):一(yī)個獨(dú)特的(de)或是最容(róng)易識别的字符(fú).最高(gāo)位規定幀(zhēn)的尋(xún)址信(xìn)息分(fèn)爲長(zhǎng)格式或短(duǎn)格式(shì),低(dī)3位定(dìng)義了幀(zhēn)的類型.
●addr地(dì)址字節(jiē):包(bāo)含了(le)源地址和(hé)目的(de)地址,最高位都(dōu)用來表示與(yǔ)該(gāi)幀相關的(de)主設(shè)備的(de)地(dì)址.“1”表示基本主設(shè)備;“0”表(biǎo)示副(fù)主設備.
●com命(mìng)令字節:表示現場儀表所(suǒ)要執行的功(gōng)能,範圍(wéi)爲255個.
●bytecornt數據總長(zhǎng)度:該值表(biǎo)示的是bytecornt下(xià)一個字節(jiē)到最(zuì)後(不(bú)包括(kuò)校驗(yàn)字節)的字(zì)節數(shù).
●data數據字節:傳送用(yòng)戶數據(jù)和響應數據,但(dàn)不是每(měi)個幀中(zhōng)都會包(bāo)含數據(jù).
●chk奇偶(ǒu)校驗:方式(shì)是縱(zòng)向奇偶校(xiào)驗.
　　在(zài)數據鏈路(lù)層中的hart協議是一種“主(zhǔ)從(cóng)”協議,即由主設備産(chǎn)生消息(xī),而從設(shè)備隻在(zài)接收(shōu)到發送(sòng)給(gěi)它(tā)的消(xiāo)息後才做(zuò)出應(yīng)答.在從設備的(de)應答消息中除了已(yǐ)被接收(shōu)的(de)确認命令(lìng),許多(duō)消息(xī)中(zhōng)還包含(hán)了主設備詢問(wèn)的數據.hart協(xié)議允(yǔn)許系統中同時有兩個(gè)主(zhǔ)設備(bèi)運行,一個(gè)基本(běn)主設備,一個副(fù)主(zhǔ)設(shè)備.從設備(bèi)根據兩個主設備不同的地址來向(xiàng)它們(men)分發(fā)各自(zì)的(de)應答命(mìng)令消息(xī).
　　實(shí)際上(shàng)在智能(néng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與中央控制或監測設備的(de)信息往返通訊(xùn),根據(jù)傳輸信号(hào)的不同,可以分(fèn)爲以下3種(zhǒng)通訊模式:模拟模式(shì)、模拟+數字模式和(hé)廣(guǎng)播(全數字(zì))模式(shì).
1.3應用層(céng)規範
　　hart協(xié)議(yì)中(zhōng)包含(hán)三類命(mìng)令:第一類爲(wèi)通用命令印l,适用于(yú)遵守(shǒu)hart協議的所有産品,符合hart協議的設備提供(gòng)功能(néng)描述(shù);第二類爲(wèi)普通操作命令(lìng),适用(yòng)于遵守hart協議的(de)大(dà)部(bù)分産(chǎn)品,當(dāng)設(shè)備具有(yǒu)某些(xiē)功(gōng)能時,該(gāi)命令(lìng)用于對這些功能的描述;第三類爲設備(bèi)特殊命令,适用于遵(zūn)守hart協(xié)議的特殊(shū)産品,提供(gòng)一些(xiē)特殊(shū)的功(gōng)能描(miáo)述命(mìng)令.hart協(xié).議對(duì)于廠家生(shēng)産的具有特殊功能的(de)産品還(hái)提供(gòng)了設備描(miáo)述語言ddl以确保(bǎo)互操(cāo)作性.
2基于(yú)hart協議(yì)的智(zhì)能電磁流量計(jì)的硬(yìng)件設計
　　帶有(yǒu)hart通訊協議的智能(néng)電磁(cí)流量(liàng)計的硬件(jiàn)系統電路(lù)采用模塊(kuài)化設(shè)計,主(zhǔ)要包括傳(chuán)感器(qì)模(mó)塊(kuài)、mcu模塊(kuài).hart通訊(xùn)模塊和人(rén)機界(jiè)面模塊4個(gè)部分.
　　由單片機(jī)控制的(de)低(dī)頻勵(lì)磁電流輸出到(dào)傳感器(qì)的勵磁(cí)線圈(quān)中,同時來(lái)自電磁流量傳(chuán)感器的微(wēi)小電(diàn)勢信(xìn)号經(jīng)前置(zhì)放大後通(tōng)過ad模(mó)數轉(zhuǎn)換電路送(sòng)入到(dào)單片(piàn)機.單(dān)片機對這些信(xìn)号進行(háng)數(shù)據采(cǎi)集,分析處理送(sòng)至液晶顯示屏(píng)進(jìn)行瞬時流量(liàng)和累(lèi)積流(liú)量(liàng)的顯示.同時單片(piàn)機通過計算公(gōng)式對得到的流(liú)量值進行補償(cháng),将補(bǔ)償(cháng)後(hòu)的流(liú)量信号通過hart通訊模(mó)塊實現與上位(wèi)機的遠程(chéng)通(tōng)訊.
2.1hart通訊(xùn)模塊(kuài)設計(jì)
　　ht2012芯片用來(lái)實現(xiàn)hart協議(yì)中通訊信(xìn)号的解調及調(diào)制過(guò)程.圖(tú)2爲調制解(jiě)調器(qì)與微處理器的(de)連接.
 
　　hart信号的解(jiě)調過程:由帶通濾波器(qì)輸出的(de)脈沖信号(hào)進入ht2012後,調制解調器(qì)分别将脈沖信(xìn)号中(zhōng)的(de)1200hz和2200hz解調(diào)爲數(shù)字(zì)1和(hé)0再将(jiāng)數字信号(hào)由ht2012的(de)orxd端口輸出(chū),cpu對接(jiē)收到(dào)的數據進(jìn)行判斷并執行(háng)相應(yīng)的任務.
2.2ht2012與外(wài)部接口.
　　hart數字(zì)信号(hào)規範是峰值爲1ma、平均值爲(wèi)0ma正弦(xián)交流電流(liú)信号(hào),此信(xìn)号經(jīng)線路阻抗轉化(huà)爲正弦(xián)交(jiāo)流電(diàn)壓信号,而ht2012輸入(rù)和輸出信号是(shì)0~5v的方(fāng)波信号,因(yīn)此在ht2012和外部的(de)hart信号之間還需(xū)要有濾波電路(lù)和整(zhěng)形電路.
　　如(rú)圖3所(suǒ)示,由tlc27組成(chéng)的濾波器(qì)是帶(dài)通濾.波器,用來(lái)減少接(jiē)收(shōu)信号(hào)的噪聲幹擾.濾波器(qì)還用(yòng)來消(xiāo)除波形中的尖(jiān)峰,從而使接收(shōu)到的信号(hào)變得(dé)平緩.tlc37組成(chéng)的數(shù)字方波産生回路把(bǎ)經過tlc27濾波(bō)後的(de)正弦(xián)波(bō)轉(zhuǎn)變成相應的方(fāng)波,以便于ht2012接收.
 
　　如圖4所示,緩沖(chòng)器74hc126的(de)作用(yòng)是使(shǐ)方波(bō)的.上升沿和下降沿趨于(yú)平緩(huǎn),使信号滿足hart物(wù)理層規範(fàn)所要求(qiú)的信号(hào)波形上升(shēng)沿和(hé)下沿(yán)的時(shí)要求(qiú),因爲(wèi)較(jiào)平(píng)緩的上升(shēng)沿(yán)和'下降沿時間可(kě)以降(jiàng)低與其它網絡(luò)間的串擾.
 
　　ht2012需要(yào)外部提(tí)供4608khz的時鍾信(xìn)号(hào),且(qiě)要求時鍾頻(pín)率的誤(wù)差是(shì)q1%,若直接入一個4608khz的晶(jīng)振不(bú)僅會(huì)引起(qǐ)系統(tǒng)功耗的增(zēng)加,而(ér)且該晶振屬于(yú)非标(biāo)準(zhǔn)晶(jīng)振(zhèn),需(xū)專門定制(zhì).爲了(le)解決這(zhè)一問題,在系(xì)統中(zhōng)采用一片1.8432mhz的晶振以(yǐ)産生時鍾信号(hào),再經(jīng)分頻(pín)器cd4013進(jìn)行4分(fèn)頗,可輸出1.8432mhz4=4608khz的分(fèn)頻信(xìn)号供(gòng)ht2012使(shǐ)用.
　　ad421其内部的(de)電壓(yā)調節器與外部的(de)場(chǎng)效應(yīng)管dn25d對輸入(rù)到ad421的(de)電壓(yā)進行調整(zhěng),可提供十33v電壓(yā)作爲其(qí)他設備的電(diàn)源.hart發出的fsk信号,經(jīng)過一個(gè)電容(róng)耦(ǒu)合送到(dào)ad421中,轉換成相應(yīng)的0.5ma正弦電(diàn)流信号,實現(xiàn)電壓信(xìn)号到(dào)電流信号(hào)的轉換,同(tóng)時,疊(dié)加在(zài)4~20ma的電流.上(shàng)送給(gěi)接收(shōu)設備(bèi),實現(xiàn)了hart協議的(de)信息的交換.本(běn)電路(lù)耦合電容(róng)取爲0.0033he,如(rú)圖5所示(shì).
 
3hart通訊(xùn)協議的軟(ruǎn)件實(shí)現(xiàn)
3.1智能電(diàn)磁流(liú)量計串口中斷(duàn)程序(xù)
　　在hart通信中,智能電磁(cí)流量(liàng)計作爲從(cóng)設備.進行通訊,所以(yǐ)這(zhè)裏(lǐ)的軟件設計隻是針(zhēn)對于從設(shè)備.hart通(tōng)信采(cǎi)用(yòng)水平和(hé)垂直校驗的方(fāng)法.當(dāng)檢測(cè)到接(jiē)收數據有差錯(cuò)時,則等到主設(shè)備命令(lìng)幀發完後,通知主設備數據(jù)接收有誤.主設(shè)備則重新(xīn)發命令幀,從而(ér)保證(zhèng)通信(xìn)的正(zhèng)确可靠.hart中斷子程序流程圖如(rú)圖6所示.
　　由于hart通信爲主從方式(shì),hart幀中每個字節(jiē)在物理層傳輸(shū)需要(yào)9ms左(zuǒ)右,爲了保證通(tōng)訊的實(shí)時(shí)性,通訊程序(xù)采用串行口終端接收發(fā)送.該中斷所要完成(chéng)通信中的(de)主要(yào)任務(wù),即接收和(hé)發送幀(zhēn),幀的拆(chāi)分和(hé)打包.
 
3.2上位機軟(ruǎn)件數據采集程(chéng)序
1)形成讀流(liú)量計(jì)長(zhǎng)幀地址命令(lìng)字:5個ff前導碼;起(qǐ)始字符爲02(采(cǎi)用(yòng)短幀格(gé)式時,主(zhǔ)設備向(xiàng)從設備發送);地(dì)址爲00(輪(lún)循地址);命令字是(shì)00(讀變(biàn)送器标識(shí)命令(lìng)字節數(shù));無數據(jù)
2)追加校(xiào)驗(yàn)和:采(cǎi)用異或邏輯(jí)運(yùn)算求校驗(yàn)和追(zhuī)加在(zài)字節數後,形成(chéng)完整命令.
3)按(àn)異(yì)步(bù)串(chuàn)行通(tōng)信方式發送命令并接收(shōu)從設(shè)備回答(dá)的(de)信息(xī).
4)從回答的(de)信息(xī)中(zhōng)提取流(liú)量計(jì)長幀地址.
5)形(xíng)成(chéng)讀流量計(jì)其他(tā)數據命(mìng)令:5個ff前導碼;起始(shǐ)字符(fú)爲(wèi)82(采(cǎi)用長幀格(gé)式時,主設備向(xiàng)從設(shè)備發送);地(dì)址爲流(liú)量(liàng)計長(zhǎng)幀地址(zhǐ);命令字、字節數和數據(jù)略;采(cǎi)用異或邏(luó)輯運算求校驗(yàn)和,追加在字節(jiē)數後,形(xíng)成完整命(mìng)令.
4結(jié)論
　　對研(yán)制的智能電磁(cí)流量(liàng)計進行試驗表明:該流.量計集(jí)成化程度(dù)高(gāo)、功能(néng)強、操作方便、性(xìng)能可靠(kào);具有自診(zhěn)斷、自(zì)檢定功(gōng)能和hart數據通訊功能;可測(cè)正反兩(liǎng)個方(fāng)向流量(liàng),也可測(cè)脈動流量(liàng);抗電(diàn)磁幹擾和溫度性能(néng)好,适合于(yú)現場測(cè)量(liàng)和顯示;測(cè)量範圍大(dà),精度高.

本(běn)文來(lái)源于網絡,如有(yǒu)侵權(quán)聯系(xì)即删(shān)除！