HART協議在耐腐蝕汙水流量計中的實現

摘要│₪✘：現場匯流排控制系統代表了工業控制系統向分散化₪₪││✘、網路化₪₪││✘、智慧化發展的方向▩✘│☁◕。為構建現場匯流排型工業測控系統₪↟╃•，要求系統中所有儀表都應具有現場匯流排功能▩✘│☁◕。其中₪↟╃•，HART匯流排技術在電磁流量儀表中應用最為廣泛₪↟╃•，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協議在耐腐蝕汙水流量計中的軟硬體實現方法₪↟╃•，測試結果表明₪↟╃•，該設計滿足現場實際要求₪↟╃•，達到了設計目的▩✘│☁◕。
HART₪↟╃•，即Highway Addressable Remote Transduc-er₪↟╃•，是可定址遠端感測器高速公路的簡稱₪↟╃•，最早由美國Rosemount公司開發並得到八十多家著名儀表公司的支援₪↟╃•，其特點是在不干擾4~20mA模擬訊號的同時允許雙向數字通訊▩✘│☁◕。符合HART協議的耐腐蝕汙水流量計不僅可以實現各種流量的檢測和就地顯示₪↟╃•，還可以透過上位機進行遠端設定,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▩✘│☁◕。本文討論基於HART協議耐腐蝕汙水流量計具體實現的技術問題₪↟╃•，一是要解決硬體電路的設計問題₪↟╃•，二是要討論實現HART協議命令集程式設計及上位機軟體的實現▩✘│☁◕。
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₪↟╃•，採用了OSI模型的第一層₪₪││✘、第二層和第七層₪↟╃•，即物理層₪₪││✘、資料鏈路層和應用層▩✘│☁◕。
1.1 物理層規範
HART協議採用美國電話通訊系統Bell202頻移鍵控(FSK)標準₪↟╃•，在4~20 mA的模擬0.5mA的正弦波₪↟╃•，波特率是1200bps▩✘│☁◕。因為所疊加的正弦訊號平均值為0₪↟╃•，而且相位連續頻移鍵控技術要求在波特率為1200Hz的資料位1和0的邊界的相位角是連續的₪↟╃•，所以數字通訊訊號不會影響4~20mA的模擬訊號▩✘│☁◕。
1.2 資料鏈路層規範
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協議根據冗餘檢錯碼資訊₪↟╃•，透過差錯檢測機制和採用自動重發請求協議(ARQ)₪↟╃•，實現通訊資料無差錯傳送▩✘│☁◕。與協議相關的實體間的資料傳輸是以幀的形式實現的▩✘│☁◕。幀是使用者控制和定址資訊對使用者資料的封裝₪↟╃•，只有幀中的位元組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訊號傳輸終止(如檢測不到載波)之後才可以進行幀的識別▩✘│☁◕。HART幀的格式如圖1所示▩✘│☁◕。

●PREAMBLE前導訊號│₪✘：實際上是同步訊號₪↟╃•，各通訊裝置可以據此略做調整₪↟╃•，保證資訊的同步▩✘│☁◕。
●DELIM定界符│₪✘：一個獨特的或是最容易識別的字元₪↟╃•，最高位規定幀的定址資訊分為長格式或短格式₪↟╃•，低3位定義了幀的型別▩✘│☁◕。
●ADDR地址位元組│₪✘：包含了源地址和目的地址₪↟╃•，最高位都用來表示與該幀相關的主裝置的地址▩✘│☁◕。“1”表示基本主裝置；“0”表示副主裝置▩✘│☁◕。
●COM命令位元組│₪✘：表示現場儀表所要執行的功能₪↟╃•，範圍為255個▩✘│☁◕。
●BYTE CORNT資料總長度│₪✘：該值表示的是BYTE CORNT下一個位元組到最後(不包括校驗位元組)的位元組數▩✘│☁◕。
●DATA資料位元組│₪✘：傳送使用者資料和響應資料₪↟╃•，但不是每個幀中都會包含資料▩✘│☁◕。
●CHK奇偶校驗│₪✘：方式是縱向奇偶校驗▩✘│☁◕。
在資料鏈路層中的HART協議是一種“主/從”協議₪↟╃•，即由主裝置產生訊息₪↟╃•，而從裝置只在接收到傳送給它的訊息後才做出應答▩✘│☁◕。在從裝置的應答訊息中除了已被接收的確認命令₪↟╃•，許多訊息中還包含了主裝置詢問的資料▩✘│☁◕。HART協議允許系統中同時有兩個主裝置執行₪↟╃•，一個基本主裝置₪↟╃•，一個副主裝置▩✘│☁◕。從裝置根據兩個主裝置不同的地址來向它們分發各自的應答命令訊息▩✘│☁◕。實際上在智慧現場裝置與中央控制或監測裝置的資訊往返通訊₪↟╃•，根據傳輸訊號的不同₪↟╃•，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 應用層規範
HART協議中包含三類命令│₪✘：第一類為通用命令₪↟╃•，適用於遵守HART協議的所有產品₪↟╃•，符合HART協議的裝置提供功能描述；第二類為普通操作命令₪↟╃•，適用於遵守HART協議的大部分產品₪↟╃•，當裝置具有某些功能時₪↟╃•，該命令用於對這些功能的描述；第三類為裝置特殊命令₪↟╃•，適用於遵守HART協議的特殊產品₪↟╃•，提供一些特殊的功能描述命令▩✘│☁◕。HART協議對於廠家生產的具有特殊功能的產品還提供了裝置描述語言DDL₪↟╃•，以確保互操作性▩✘│☁◕。
2₪₪││✘、基於HART協議的耐腐蝕汙水流量計的硬體設計
帶有HART通訊協議的耐腐蝕汙水流量計的硬體系統電路採用模組化設計₪↟╃•，主要包括感測器模組₪₪││✘、MCU模組₪₪││✘、HART通訊模組和人機介面模組4個部分▩✘│☁◕。由微控制器控制的低頻勵磁電流輸出到感測器的勵磁線圈中₪↟╃•，同時來自電磁流量感測器的微小電勢訊號經前置放大後透過AD模數轉換電路送入到微控制器▩✘│☁◕。微控制器對這些訊號進行資料採集₪↟╃•，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▩✘│☁◕。同時微控制器透過計算公式對得到的流量值進行補償₪↟╃•，將補償後的流量訊號透過HART通訊模組實現與上位機的遠端通訊▩✘│☁◕。
2.1 HART通訊模組設計
HT2012晶片用來實現HART協議中通訊訊號的解調及調製過程▩✘│☁◕。圖2為調變解調器與微處理器的連線▩✘│☁◕。

HARTHART訊號的解調過程│₪✘：由帶通濾波器輸出的脈衝訊號進入HT2012後₪↟╃•，調變解調器分別將脈衝訊號中的1200Hz和2200Hz解調為數字1和0₪↟╃•，再將數字訊號由HT2012的ORXD埠輸出₪↟╃•，CPU對接收到的資料進行判斷並執行相應的任務▩✘│☁◕。
2.2 HT2012與外部介面
HART數字訊號規範是峰值為1mA₪₪││✘、平均值為0mA正弦交流電流訊號₪↟╃•，此訊號經線路阻抗轉化為正弦交流電壓訊號₪↟╃•，而HT2012輸入和輸出訊號是0~5V的方波訊號₪↟╃•，因此在HT2012和外部的HART訊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₪↟╃•，用來減少接收訊號的噪聲干擾▩✘│☁◕。濾波器還用來消除波形中的尖峰₪↟╃•，從而使接收到的訊號變得平緩▩✘│☁◕。TLC37組成的數字方波產生迴路把經過TLC27濾波後的正弦波轉變成相應的方波₪↟╃•，以便於HT2012接收▩✘│☁◕。

如圖4所示₪↟╃•，緩衝器74HC126的作用是使方波的上升沿和下降沿趨於平緩₪↟╃•，使訊號滿足HART物理層規範所要求的訊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路間的串擾▩✘│☁◕。

HT2012需要外部提供460.8kHz的時鐘訊號₪↟╃•，且要求時鐘頻率的誤差是0.1%₪↟╃•，若直接入一個460.8kHz的晶振不僅會引起系統功耗的增加₪↟╃•，而且該晶振屬於非標準晶振₪↟╃•，需專門定製▩✘│☁◕。為了解決這一問題₪↟╃•，在系統中採用一片1.8432MHz的晶振以產生時鐘訊號₪↟╃•，再經分頻器CD4013進行4分頗₪↟╃•，可輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分頻訊號供HT2012使用▩✘│☁◕。AD421其內部的電壓調節器與外部的場效電晶體DN25D對輸入到AD421的電壓進行調整₪↟╃•，可提供+3.3V電壓作為其他裝置的電源▩✘│☁◕。HART發出的FSK訊號₪↟╃•，經過一個電容耦合送到AD421中₪↟╃•，轉換成相應的0.5mA正弦電流訊號₪↟╃•，實現電壓訊號到電流訊號的轉換₪↟╃•，同時₪↟╃•，疊加在4~20mA的電流上送給接收裝置₪↟╃•，實現了HART協議的資訊的交換▩✘│☁◕。本電路耦合電容取為0.0033μF₪↟╃•，如圖5所示▩✘│☁◕。

3₪₪││✘、HART通訊協議的軟體實現
3.1 耐腐蝕汙水流量計串列埠中斷程式
在HART通訊中₪↟╃•，耐腐蝕汙水流量計作為從裝置進行通訊₪↟╃•，所以這裡的軟體設計只是針對於從裝置▩✘│☁◕。HART通訊採用水平和垂直校驗的方法▩✘│☁◕。當檢測到接收資料有差錯時₪↟╃•，則等到主裝置命令幀發完後₪↟╃•，通知主裝置資料接收有誤▩✘│☁◕。主裝置則重新發命令幀₪↟╃•，從而保證通訊的準確可靠▩✘│☁◕。HART中斷子程式流程圖如圖6所示▩✘│☁◕。由於HART通訊為主從方式₪↟╃•，HART幀中每個位元組在物理層傳輸需要9ms左右₪↟╃•，為了保證通訊的實時性₪↟╃•，通訊程式採用序列口終端接收/傳送▩✘│☁◕。該中斷所要完成通訊中的主要任務₪↟╃•，即接收和傳送幀₪↟╃•，幀的拆分和打包▩✘│☁◕。

3.2 上位機軟體資料採集程式
1)形成讀流量計長幀地址命令字│₪✘：5個FF前導碼；起始字元為02(採用短幀格式時₪↟╃•，主裝置向從裝置傳送)；地址為00(輪循地址)；命令字是00(讀變送器標識命令位元組數)；無資料▩✘│☁◕。
2)追加校驗和│₪✘：採用異或邏輯運算求校驗和追加在位元組數後₪↟╃•，形成完整命令▩✘│☁◕。
3)按非同步序列通訊方式傳送命令並接收從裝置回答的資訊▩✘│☁◕。
4)從回答的資訊中提取流量計長幀地址▩✘│☁◕。
5)形成讀流量計其他資料命令│₪✘：5個FF前導碼；起始字元為82(採用長幀格式時₪↟╃•，主裝置向從裝置傳送)；地址為流量計長幀地址；命令字₪₪││✘、位元組數和資料略；採用異或邏輯運算求校驗和₪↟╃•，追加在位元組數後₪↟╃•，形成完整命令▩✘│☁◕。
6)按非同步序列通訊方式傳送命令並接收儀器回答的資訊▩✘│☁◕。
7)從回答的資訊中提取流量計資料▩✘│☁◕。以後再讀取流量計的資料時₪↟╃•，只進行(5)~(7)步即可▩✘│☁◕。流程圖見圖7所示▩✘│☁◕。

4₪₪││✘、結論
對研製的耐腐蝕汙水流量計進行試驗表明│₪✘：該流量計整合化程度高₪₪││✘、功能強₪₪││✘、操作方便₪₪││✘、效能可靠；具有自診斷₪₪││✘、自檢定功能和HART資料通訊功能；可測正反兩個方向流量₪↟╃•，也可測脈動流量；抗電磁干擾和溫度效能好₪↟╃•，適合於現場測量和顯示；測量範圍大₪↟╃•，準確度高▩✘│☁◕。

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