HART協(xié)議在智能電磁流量計中的設計應用
1.引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/163214.htmHART,即Highway Addressable Remote Transducer,是可尋址遠程傳感器高速公路的簡稱,最早由美國 Rosemount公司開發(fā)并得到八十多家著名儀表公司的支持,其特點是在不干擾4~20mA模擬信號的同時允許雙向數(shù)字通訊。
符合HART協(xié)議的智能電磁流量計不僅可以實現(xiàn)各種流量的檢測和就地顯示,還可以通過上位計進行遠程設定,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。[1]本文討論基于HART協(xié)議智能電磁流量計具體實現(xiàn)的技術問題,一是要解決硬件電路的設計問題,二是要討論實現(xiàn)HART協(xié)議命令集編程及上位機軟件的實現(xiàn) 。
2 HART協(xié)議簡介
HART協(xié)議遵循ISO制訂的OSI 開放式系統(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)鏈路層和應用層。
2.1 物理層規(guī)范
HART 協(xié)議采用美國電話通訊系統(tǒng)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(xù)頻移鍵控技術要求在波特率為 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)字通訊信號不會影響4~20mA的模擬信號。
2.2 數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范[2][3]
這一部分協(xié)議規(guī)定了HART 幀的格式,實現(xiàn)建立、維護、數(shù)據(jù)鏈路通訊功能,HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯碼信息,通過差錯檢測機制和采用自動重發(fā)請求協(xié)議(ARQ),實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯傳送。
與協(xié)議相關的數(shù)據(jù)傳輸是以幀的形式實現(xiàn)的。幀是用戶控制和尋址信息對用戶數(shù)據(jù)的封裝,只有幀中的字節(jié)記數(shù)結束且經過了差錯檢驗接收正確無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:一個獨特的或是最容易識別的字符。
ADDR地址字節(jié):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設備的地址。
COM 命令字節(jié):表示現(xiàn)場儀表所要執(zhí)行的功能。
BYTE CORNT數(shù)據(jù)總長度:該值表示的是BYTE CORNT下一個字節(jié)到最后(不包括校驗字節(jié)) 的字節(jié)數(shù)。
DATA 數(shù)據(jù)字節(jié)。
CHK 奇偶校驗:縱向奇偶校驗。
在數(shù)據(jù)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問的數(shù)據(jù)。HART協(xié)議允許系統(tǒng)中同時有兩個主設備運行,一個基本主設備,一個副主設備。從設備根據(jù)兩個主設備不同的地址來向它們分發(fā)各自的應答命令消息。
2.3 應用層規(guī)范[4]
規(guī)定了HART消息包中的3類命令,第一類是通用命令,適用于遵守HART協(xié)議的所有產品,為符合HART協(xié)議的設備提供功能描述;第二類是普通操作命令,適用于遵守HART協(xié)議的大部分產品;第三類是設備特殊命令,適用于遵守HART協(xié)議的特殊產品。
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(tǒng)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圈中,同時來自電磁流量傳感器的微小電勢信號經前置放大后通過AD模數(shù)轉換電路送入到單片機。單片機對這些信號進行數(shù)據(jù)采集,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。同時單片機通過計算公式對得到的流量值進行補償,將補償后的流量信號通過HART通訊模塊實現(xiàn)與上位機的遠程通訊。
3.1 HART通訊模塊設計
HT2012 芯片用來實現(xiàn)HART 協(xié)議中通訊信號的解調及調制過程。圖2為調制解調器與微處理器的連接。
HART 信號的解調過程:由帶通濾波器輸出的脈沖信號進入HT2012 后,調制解調器分別將脈沖信號中的1200Hz和 2200Hz解調為數(shù)字1和0,再將數(shù)字信號由HT2012 的ORXD 端口輸出,CPU 對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷并執(zhí)行相應的任務。
3.2 HT2012 與外部接口
HART數(shù)字信號規(guī)范是峰值為1mA、平均值為0mA正弦交流電流信號,此信號經線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,用來減少接收信號的噪聲干擾。濾波器還用來消除波形中的尖峰,從而使接收到的信號變得平緩。TLC37 組成的數(shù)字方波產生回路把經過TLC27 濾波后的正弦波轉變成相應的方波,以便于HT2012 接收。
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