HART協(xié)議在雨水流量計中的硬件設計與軟件實(shí)現
點(diǎn)擊次數：1601 發(fā)布時(shí)間：2021-09-04 01:57:59
摘要：現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統代表了工業(yè)控制系統向分散化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化發(fā)展的方向。為構建現場(chǎng)總線(xiàn)型工業(yè)測控系統，要求系統中所有儀表都應具有現場(chǎng)總線(xiàn)功能。其中，HART總線(xiàn)技術(shù)在電磁流量?jì)x表中應用最為廣泛，本文在對HART協(xié)議進(jìn)行詳細分析的基礎上，重點(diǎn)介紹了系統設計結構以及HART協(xié)議在雨水流量計中的軟硬件實(shí)現方法，測試結果表明，該設計滿(mǎn)足現場(chǎng)實(shí)際要求，達到了設計目的。
HART，即Highway Addressable Remote Transduc-er，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)議的雨水流量計不僅可以實(shí)現各種流量的檢測和就地顯示，還可以通過(guò)上位機進(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。本文討論基于HART協(xié)議雨水流量計具體實(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。
1、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。
1.1 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4~20 mA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。
1.2 數據鏈路層規范
這一部分協(xié)議規定了HART幀的格式，實(shí)現建立、維護、終結鏈路通訊功能，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)的實(shí)體間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：實(shí)際上是同步信號，各通訊設備可以據此略做調整，保證信息的同步。
●DELIM定界符：一個(gè)獨特的或是最容易識別的字符，最高位規定幀的尋址信息分為長(cháng)格式或短格式，低3位定義了幀的類(lèi)型。
●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。“1”表示基本主設備；“0”表示副主設備。
●COM命令字節：表示現場(chǎng)儀表所要執行的功能，范圍為255個(gè)。
●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：傳送用戶(hù)數據和響應數據，但不是每個(gè)幀中都會(huì )包含數據。
●CHK奇偶校驗：方式是縱向奇偶校驗。
在數據鏈路層中的HART協(xié)議是一種“主/從”協(xié)議，即由主設備產(chǎn)生消息，而從設備只在接收到發(fā)送給它的消息后才做出應答。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。實(shí)際上在智能現場(chǎng)設備與中央控制或監測設備的信息往返通訊，根據傳輸信號的不同，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 應用層規范
HART協(xié)議中包含三類(lèi)命令：第一類(lèi)為通用命令，適用于遵守HART協(xié)議的所有產(chǎn)品，符合HART協(xié)議的設備提供功能描述；第二類(lèi)為普通操作命令，適用于遵守HART協(xié)議的大部分產(chǎn)品，當設備具有某些功能時(shí)，該命令用于對這些功能的描述；第三類(lèi)為設備特殊命令，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)議對于廠(chǎng)家生產(chǎn)的具有特殊功能的產(chǎn)品還提供了設備描述語(yǔ)言DDL，以確?；ゲ僮餍?。
2、基于HART協(xié)議的雨水流量計的硬件設計
帶有HART通訊協(xié)議的雨水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4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。
2.1 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。
HARTHART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)。
2.2 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。
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，使信號滿(mǎn)足HART物理層規范所要求的信號波形上升沿和下沿的時(shí)要求，因為較平緩的上升沿和下降沿時(shí)間可以降低與其它網(wǎng)絡(luò )間的串擾。
HT2012需要外部提供460.8kHz的時(shí)鐘信號，且要求時(shí)鐘頻率的誤差是0.1%，若直接入一個(gè)460.8kHz的晶振不僅會(huì )引起系統功耗的增加，而且該晶振屬于非標準晶振，需專(zhuān)門(mén)定制。為了解決這一問(wèn)題，在系統中采用一片1.8432MHz的晶振以產(chǎn)生時(shí)鐘信號，再經(jīng)分頻器CD4013進(jìn)行4分頗，可輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分頻信號供HT2012使用。AD421其內部的電壓調節器與外部的場(chǎng)效應管DN25D對輸入到AD421的電壓進(jìn)行調整，可提供+3.3V電壓作為其他設備的電源。HART發(fā)出的FSK信號，經(jīng)過(guò)一個(gè)電容耦合送到AD421中，轉換成相應的0.5mA正弦電流信號，實(shí)現電壓信號到電流信號的轉換，同時(shí)，疊加在4~20mA的電流上送給接收設備，實(shí)現了HART協(xié)議的信息的交換。本電路耦合電容取為0.0033μF，如圖5所示。
3、HART通訊協(xié)議的軟件實(shí)現
3.1 雨水流量計串口中斷程序
在HART通信中，雨水流量計作為從設備進(jìn)行通訊，所以這里的軟件設計只是針對于從設備。HART通信采用水平和垂直校驗的方法。當檢測到接收數據有差錯時(shí)，則等到主設備命令幀發(fā)完后，通知主設備數據接收有誤。主設備則重新發(fā)命令幀，從而保證通信的準確可靠。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 上位機軟件數據采集程序
1)形成讀流量計長(cháng)幀地址命令字：5個(gè)FF前導碼；起始字符為02(采用短幀格式時(shí)，主設備向從設備發(fā)送)；地址為00(輪循地址)；命令字是00(讀變送器標識命令字節數)；無(wú)數據。
2)追加校驗和：采用異或邏輯運算求校驗和追加在字節數后，形成完整命令。
3)按異步串行通信方式發(fā)送命令并接收從設備回答的信息。
4)從回答的信息中提取流量計長(cháng)幀地址。
5)形成讀流量計其他數據命令：5個(gè)FF前導碼；起始字符為82(采用長(cháng)幀格式時(shí)，主設備向從設備發(fā)送)；地址為流量計長(cháng)幀地址；命令字、字節數和數據略；采用異或邏輯運算求校驗和，追加在字節數后，形成完整命令。
6)按異步串行通信方式發(fā)送命令并接收儀器回答的信息。
7)從回答的信息中提取流量計數據。以后再讀取流量計的數據時(shí)，只進(jìn)行(5)~(7)步即可。流程圖見(jiàn)圖7所示。
4、結論
對研制的雨水流量計進(jìn)行試驗表明：該流量計集成化程度高、功能強、操作方便、性能可靠；具有自診斷、自檢定功能和HART數據通訊功能；可測正反兩個(gè)方向流量，也可測脈動(dòng)流量；抗電磁干擾和溫度性能好，適合于現場(chǎng)測量和顯示；測量范圍大，準確度高。
HART，即Highway Addressable Remote Transduc-er，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)議的雨水流量計不僅可以實(shí)現各種流量的檢測和就地顯示，還可以通過(guò)上位機進(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。本文討論基于HART協(xié)議雨水流量計具體實(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。
1、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。
1.1 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4~20 mA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。
1.2 數據鏈路層規范
這一部分協(xié)議規定了HART幀的格式，實(shí)現建立、維護、終結鏈路通訊功能，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)的實(shí)體間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：實(shí)際上是同步信號，各通訊設備可以據此略做調整，保證信息的同步。
●DELIM定界符：一個(gè)獨特的或是最容易識別的字符，最高位規定幀的尋址信息分為長(cháng)格式或短格式，低3位定義了幀的類(lèi)型。
●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。“1”表示基本主設備；“0”表示副主設備。
●COM命令字節：表示現場(chǎng)儀表所要執行的功能，范圍為255個(gè)。
●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：傳送用戶(hù)數據和響應數據，但不是每個(gè)幀中都會(huì )包含數據。
●CHK奇偶校驗：方式是縱向奇偶校驗。
在數據鏈路層中的HART協(xié)議是一種“主/從”協(xié)議，即由主設備產(chǎn)生消息，而從設備只在接收到發(fā)送給它的消息后才做出應答。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。實(shí)際上在智能現場(chǎng)設備與中央控制或監測設備的信息往返通訊，根據傳輸信號的不同，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 應用層規范
HART協(xié)議中包含三類(lèi)命令：第一類(lèi)為通用命令，適用于遵守HART協(xié)議的所有產(chǎn)品，符合HART協(xié)議的設備提供功能描述；第二類(lèi)為普通操作命令，適用于遵守HART協(xié)議的大部分產(chǎn)品，當設備具有某些功能時(shí)，該命令用于對這些功能的描述；第三類(lèi)為設備特殊命令，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)議對于廠(chǎng)家生產(chǎn)的具有特殊功能的產(chǎn)品還提供了設備描述語(yǔ)言DDL，以確?；ゲ僮餍?。
2、基于HART協(xié)議的雨水流量計的硬件設計
帶有HART通訊協(xié)議的雨水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4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。
2.1 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。
HARTHART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)。
2.2 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。
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，使信號滿(mǎn)足HART物理層規范所要求的信號波形上升沿和下沿的時(shí)要求，因為較平緩的上升沿和下降沿時(shí)間可以降低與其它網(wǎng)絡(luò )間的串擾。
HT2012需要外部提供460.8kHz的時(shí)鐘信號，且要求時(shí)鐘頻率的誤差是0.1%，若直接入一個(gè)460.8kHz的晶振不僅會(huì )引起系統功耗的增加，而且該晶振屬于非標準晶振，需專(zhuān)門(mén)定制。為了解決這一問(wèn)題，在系統中采用一片1.8432MHz的晶振以產(chǎn)生時(shí)鐘信號，再經(jīng)分頻器CD4013進(jìn)行4分頗，可輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分頻信號供HT2012使用。AD421其內部的電壓調節器與外部的場(chǎng)效應管DN25D對輸入到AD421的電壓進(jìn)行調整，可提供+3.3V電壓作為其他設備的電源。HART發(fā)出的FSK信號，經(jīng)過(guò)一個(gè)電容耦合送到AD421中，轉換成相應的0.5mA正弦電流信號，實(shí)現電壓信號到電流信號的轉換，同時(shí)，疊加在4~20mA的電流上送給接收設備，實(shí)現了HART協(xié)議的信息的交換。本電路耦合電容取為0.0033μF，如圖5所示。
3、HART通訊協(xié)議的軟件實(shí)現
3.1 雨水流量計串口中斷程序
在HART通信中，雨水流量計作為從設備進(jìn)行通訊，所以這里的軟件設計只是針對于從設備。HART通信采用水平和垂直校驗的方法。當檢測到接收數據有差錯時(shí)，則等到主設備命令幀發(fā)完后，通知主設備數據接收有誤。主設備則重新發(fā)命令幀，從而保證通信的準確可靠。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 上位機軟件數據采集程序
1)形成讀流量計長(cháng)幀地址命令字：5個(gè)FF前導碼；起始字符為02(采用短幀格式時(shí)，主設備向從設備發(fā)送)；地址為00(輪循地址)；命令字是00(讀變送器標識命令字節數)；無(wú)數據。
2)追加校驗和：采用異或邏輯運算求校驗和追加在字節數后，形成完整命令。
3)按異步串行通信方式發(fā)送命令并接收從設備回答的信息。
4)從回答的信息中提取流量計長(cháng)幀地址。
5)形成讀流量計其他數據命令：5個(gè)FF前導碼；起始字符為82(采用長(cháng)幀格式時(shí)，主設備向從設備發(fā)送)；地址為流量計長(cháng)幀地址；命令字、字節數和數據略；采用異或邏輯運算求校驗和，追加在字節數后，形成完整命令。
6)按異步串行通信方式發(fā)送命令并接收儀器回答的信息。
7)從回答的信息中提取流量計數據。以后再讀取流量計的數據時(shí)，只進(jìn)行(5)~(7)步即可。流程圖見(jiàn)圖7所示。
4、結論
對研制的雨水流量計進(jìn)行試驗表明：該流量計集成化程度高、功能強、操作方便、性能可靠；具有自診斷、自檢定功能和HART數據通訊功能；可測正反兩個(gè)方向流量，也可測脈動(dòng)流量；抗電磁干擾和溫度性能好，適合于現場(chǎng)測量和顯示；測量范圍大，準確度高。
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