HART協(xié)議在智能電磁流量計中的設計應用

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)，最早由美國 Rosemount公司開(kāi)發(fā)并得到八十多家著(zhù)名儀表公司的支持,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 模型的第一層、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)議采用美國電話(huà)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)獨特的或是最容易識別的字符。
　　ADDR地址字節：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)字節到最后(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，第一類(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。