摘要:現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)代表了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向.為構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)總線型工業(yè)測(cè)控系統(tǒng),要求系統(tǒng)中所有儀表都應(yīng)具有現(xiàn)場(chǎng)總線功能.其中,HART總線技術(shù)在電磁流量?jī)x表中應(yīng)用最為廣泛,本文在對(duì)HART協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及HART協(xié)議在智能電磁流量計(jì)中的軟硬件實(shí).現(xiàn)方法.測(cè)試結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求,達(dá)到了設(shè)計(jì)目的.
HART,即HighwayAddressableRemoteTransdueer是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路的簡(jiǎn)稱,其特點(diǎn)是在不干擾4~20mA模擬信號(hào)的同時(shí)允許雙向數(shù):字通訊.符合HART協(xié)議的智能電磁流量計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)各種流量的檢測(cè)和就地顯示,還可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定,改變流量計(jì)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(jì)的使用和維護(hù),因而具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力L-31.本文討論基于HART協(xié)議智能電磁流量計(jì)具體實(shí)現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題,一.是要解決硬件電路的設(shè)計(jì)問(wèn)題,二是要討論實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議命令集編程及上位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn).
1HART協(xié)議簡(jiǎn)介
HART協(xié)議遵循ISO制訂的OSI開(kāi)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.
1.1物理層規(guī)范
HART協(xié)議采用美國(guó)電話通訊系統(tǒng)Bel202頻.移鍵控(FSK)標(biāo)準(zhǔn),在4~20mA的模擬Q5mA的正弦波,波特率是1200bps因?yàn)樗B加的正弦信號(hào)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(hào)不會(huì)影響4~20mA的模擬信號(hào).
1.2數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范
這一部分協(xié)議規(guī)定了HART幀的格式,實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通訊功能,HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息,通過(guò)差錯(cuò)檢測(cè)機(jī)制和采用自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求協(xié)議(ARQ),實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)傳送.
與協(xié)議相關(guān)的實(shí)體間的數(shù)據(jù)傳輸是以幀的形式實(shí)現(xiàn)的.幀是用戶控制和尋址信息對(duì)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(guò)了差錯(cuò)檢驗(yàn)接收正確無(wú)誤或是物理層通知信號(hào)傳輸終止(如檢測(cè)不到載波)之后才可以進(jìn)行幀的識(shí)別.HART幀的格式如圖1所示.
●PREAMBLE前導(dǎo)信號(hào):實(shí)際上是同步信號(hào),各通訊設(shè)備可以據(jù)此略做調(diào)整,保證信息的同步.
●DELM定界符:一個(gè)獨(dú)特的或是最容易識(shí)別的字符.最高位規(guī)定幀的尋址信息分為長(zhǎng)格式或短格式,低3位定義了幀的類型.
●ADDR地址字節(jié):包含了源地址和目的地址,最高位都用來(lái)表示與該幀相關(guān)的主設(shè)備的地址.“1”表示基本主設(shè)備;“0”表示副主設(shè)備.
●COM命令字節(jié):表示現(xiàn)場(chǎng)儀表所要執(zhí)行的功能,范圍為255個(gè).
●BYTECORNT數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度:該值表示的是BYTECORNT下一個(gè)字節(jié)到最后(不包括校驗(yàn)字節(jié))的字節(jié)數(shù).
●DATA數(shù)據(jù)字節(jié):傳送用戶數(shù)據(jù)和響應(yīng)數(shù)據(jù),但不是每個(gè)幀中都會(huì)包含數(shù)據(jù).
●CHK奇偶校驗(yàn):方式是縱向奇偶校驗(yàn).
在數(shù)據(jù)鏈路層中的HART協(xié)議是一種“主從”協(xié)議,即由主設(shè)備產(chǎn)生消息,而從設(shè)備只在接收到發(fā)送給它的消息后才做出應(yīng)答.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(wèn)的數(shù)據(jù).HART協(xié)議允許系統(tǒng)中同時(shí)有兩個(gè)主設(shè)備運(yùn)行,一個(gè)基本主設(shè)備,一個(gè)副主設(shè)備.從設(shè)備根據(jù)兩個(gè)主設(shè)備不同的地址來(lái)向它們分發(fā)各自的應(yīng)答命令消息.
實(shí)際上在智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與中央控制或監(jiān)測(cè)設(shè)備的信息往返通訊,根據(jù)傳輸信號(hào)的不同,可以分為以下3種通訊模式:模擬模式、模擬+數(shù)字模式和廣播(全數(shù)字)模式.
1.3應(yīng)用層規(guī)范
HART協(xié)議中包含三類命令:第一類為通用命令印l,適用于遵守HART協(xié)議的所有產(chǎn)品,符合HART協(xié)議的設(shè)備提供功能描述;第二類為普通操作命令,適用于遵守HART協(xié)議的大部分產(chǎn)品,當(dāng)設(shè)備具有某些功能時(shí),該命令用于對(duì)這些功能的描述;第三類為設(shè)備特殊命令,適用于遵守HART協(xié)議的特殊產(chǎn)品,提供一些特殊的功能描述命令.HART協(xié).議對(duì)于廠家生產(chǎn)的具有特殊功能的產(chǎn)品還提供了設(shè)備描述語(yǔ)言DDL以確�；ゲ僮餍�.
2基于HART協(xié)議的智能電磁流量計(jì)的硬件設(shè)計(jì)
帶有HART通訊協(xié)議的智能電磁流量計(jì)的硬件系統(tǒng)電路采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括傳感器模塊、MCU模塊.HART通訊模塊和人機(jī)界面模塊4個(gè)部分.
由單片機(jī)控制的低頻勵(lì)磁電流輸出到傳感器的勵(lì)磁線圈中,同時(shí)來(lái)自電磁流量傳感器的微小電勢(shì)信號(hào)經(jīng)前置放大后通過(guò)AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路送入到單片機(jī).單片機(jī)對(duì)這些信號(hào)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(shí)流量和累積流量的顯示.同時(shí)單片機(jī)通過(guò)計(jì)算公式對(duì)得到的流量值進(jìn)行補(bǔ)償,將補(bǔ)償后的流量信號(hào)通過(guò)HART通訊模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊.
2.1HART通訊模塊設(shè)計(jì)
HT2012芯片用來(lái)實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議中通訊信號(hào)的解調(diào)及調(diào)制過(guò)程.圖2為調(diào)制解調(diào)器與微處理器的連接.
HART信號(hào)的解調(diào)過(guò)程:由帶通濾波器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)入HT2012后,調(diào)制解調(diào)器分別將脈沖信號(hào)中的1200Hz和2200Hz解調(diào)為數(shù)字1和0再將數(shù)字信號(hào)由HT2012的ORXD端口輸出,CPU對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù).
2.2HT2012與外部接口.
HART數(shù)字信號(hào)規(guī)范是峰值為1mA、平均值為0mA正弦交流電流信號(hào),此信號(hào)經(jīng)線路阻抗轉(zhuǎn)化為正弦交流電壓信號(hào),而HT2012輸入和輸出信號(hào)是0~5V的方波信號(hào),因此在HT2012和外部的HART信號(hào)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(hào)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(hào)變得平緩.TLC37組成的數(shù)字方波產(chǎn)生回路把經(jīng)過(guò)TLC27濾波后的正弦波轉(zhuǎn)變成相應(yīng)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(hào)滿足HART物理層規(guī)范所要求的信號(hào)波形上升沿和下沿的時(shí)要求,因?yàn)檩^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?dāng)_.
HT2012需要外部提供4608kHz的時(shí)鐘信號(hào),且要求時(shí)鐘頻率的誤差是Q1%,若直接入一個(gè)4608kHz的晶振不僅會(huì)引起系統(tǒng)功耗的增加,而且該晶振屬于非標(biāo)準(zhǔn)晶振,需專門定制.為了解決這一問(wèn)題,在系統(tǒng)中采用一片1.8432MHz的晶振以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào),再經(jīng)分頻器CD4013進(jìn)行4分頗,可輸出1.8432MHz4=4608kHz的分頻信號(hào)供HT2012使用.
AD421其內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器與外部的場(chǎng)效應(yīng)管DN25D對(duì)輸入到AD421的電壓進(jìn)行調(diào)整,可提供十33V電壓作為其他設(shè)備的電源.HART發(fā)出的FSK信號(hào),經(jīng)過(guò)一個(gè)電容耦合送到AD421中,轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的0.5mA正弦電流信號(hào),實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)到電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換,同時(shí),疊加在4~20mA的電流.上送給接收設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了HART協(xié)議的信息的交換.本電路耦合電容取為0.0033HE,如圖5所示.
3HART通訊協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)
3.1智能電磁流量計(jì)串口中斷程序
在HART通信中,智能電磁流量計(jì)作為從設(shè)備.進(jìn)行通訊,所以這里的軟件設(shè)計(jì)只是針對(duì)于從設(shè)備.HART通信采用水平和垂直校驗(yàn)的方法.當(dāng)檢測(cè)到接收數(shù)據(jù)有差錯(cuò)時(shí),則等到主設(shè)備命令幀發(fā)完后,通知主設(shè)備數(shù)據(jù)接收有誤.主設(shè)備則重新發(fā)命令幀,從而保證通信的正確可靠.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(gè)字節(jié)在物理層傳輸需要9ms左右,為了保證通訊的實(shí)時(shí)性,通訊程序采用串行口終端接收發(fā)送.該中斷所要完成通信中的主要任務(wù),即接收和發(fā)送幀,幀的拆分和打包.
3.2上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)采集程序
1)形成讀流量計(jì)長(zhǎng)幀地址命令字:5個(gè)FF前導(dǎo)碼;起始字符為02(采用短幀格式時(shí),主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送);地址為00(輪循地址);命令字是00(讀變送器標(biāo)識(shí)命令字節(jié)數(shù));無(wú)數(shù)據(jù)
2)追加校驗(yàn)和:采用異或邏輯運(yùn)算求校驗(yàn)和追加在字節(jié)數(shù)后,形成完整命令.
3)按異步串行通信方式發(fā)送命令并接收從設(shè)備回答的信息.
4)從回答的信息中提取流量計(jì)長(zhǎng)幀地址.
5)形成讀流量計(jì)其他數(shù)據(jù)命令:5個(gè)FF前導(dǎo)碼;起始字符為82(采用長(zhǎng)幀格式時(shí),主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送);地址為流量計(jì)長(zhǎng)幀地址;命令字、字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)略;采用異或邏輯運(yùn)算求校驗(yàn)和,追加在字節(jié)數(shù)后,形成完整命令.
4結(jié)論
對(duì)研制的智能電磁流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)表明:該流.量計(jì)集成化程度高、功能強(qiáng)、操作方便、性能可靠;具有自診斷、自檢定功能和HART數(shù)據(jù)通訊功能;可測(cè)正反兩個(gè)方向流量,也可測(cè)脈動(dòng)流量;抗電磁干擾和溫度性能好,適合于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和顯示;測(cè)量范圍大,精度高.
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