常州鑫旺儀表有限公司電磁式流量計HART協議應用說明
作者:常州鑫旺儀表有限公司
2021-07-06
第一節前言
滿足HART協議的智能電磁流量計，不僅能對各種流量進行檢測和現場顯示，還能通過上位機遠程設置，改變流量計零點范圍，完成自診斷，使用維護更加方便。
HART協議的引入；
該協議遵循ISO建立的OSI開放系統互連參考模型，采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層、應用層*層、第二層和第七層。
一、物理層的說明。
該HART協議采用美國BelI202頻移鍵控(FSK)標準，模擬正弦波4~20毫安，波特率1200bps，正弦信號平均疊加值0。連續相移鍵控技術要求波特率為1200Hz的數據比特1和0的邊界相位角是連續的，所以數字通信信號對4~20mA的模擬信號沒有影響。
2.數據鏈接層的說明。
該協議采用HART框架的形式，實現了數據鏈路的建立、維護和通信功能。該協議利用冗余的錯誤碼信息，采用錯誤檢測機制和自動重復請求協議ARQ來實現通信數據的無錯傳輸。
數據傳輸中的協議相關部分采用框架形式。該框架將用戶控制和地址信息封裝為用戶數據。幀字節記錄完成后，通過錯誤檢查或物理層通知信號傳輸完成后，可正確接收幀。
HART協議在數據鏈路層以從協議為主。除接收的確認命令外，許多來自設備的響應信息還包括主設備查詢的數據。該HART協議允許系統中的兩個主設備同時運行一個輔助主設備。根據兩個主設備的地址從設備分發自己的響應命令信息。
三、應用層說明。
在HART包中有三個命令。類*是一種通用命令，適用于所有HART協議兼容的產品，它為HART協議兼容的設備提供功能描述。通用操作命令適用于大部分符合HART協議的產品，而專用設備命令適用于大部分符合HART協議的特殊產品。
基于HART協議的電磁流量計智能通信模塊設計。
基于HART通信協議的電磁流量計智能控制系統硬件電路采用模塊化設計，主要由傳感器、單片機、HART通信和人機接口等模塊組成。
通過AD模數轉換電路，將由單片機控制的低頻激勵電流輸出到傳感器的激勵線，由電磁流量傳感器通過預放大后的微電信號進入單片機。MCU采集這些信號，分析后發送給LCD，顯示瞬間流量和累積流量。通過計算公式對得到的流量值進行補償，通過HART通信模塊實現補償后的流量信號與上位機的遠程通信。文中只介紹了HART通訊模塊的設計。
利用HT2012芯片，實現了HART協議中通信信號的調校和HART信號的調校過程：帶濾波器輸出的脈沖信號進入HT2012后，分別將1200Hz和2200Hz的脈沖信號調校到了ORXD口，輸出的數字為1和0。
采用峰值1mA，均值0mA作為HART數字信號的標準，將線路阻抗轉換為正弦電壓信號。由于HT2012的輸入輸出信號是0~5V方波信號，所以在HT2012與外部HART信號之間需要設置濾波和整形電路。
采用TLC27構成的濾波器具有濾波器，以降低接收信號的噪聲干擾。濾波器也用來消除波形中的脈沖，從而減少接收信號。采用TLC37構成數字方波發生電路，將TLC27經濾波后的正弦波轉換為相應的方波，使HT2012接收更加方便。
緩沖74HC126的作用是使信號能達到HART物理層規范所要求的信號波形升降沿的平滑升降沿，平滑升降沿的時間可減小與其他網絡串聯的電阻，從而達到平滑升降沿的作用。
對于HT2012，需要有460.8kHz的外部時鐘信號，時鐘頻率誤差為0.1%。而460.8kHz的直接晶振不僅會增加系統功耗，而且晶振是對是錯，需要特別定制。為解決這一問題，系統采用1.8432MHz晶體振動來產生時鐘信號，利用HT2012實現了1.8432MHz/4=460.8kHz的分頻信號通過分頻器CD40134分鐘輸出。
通過AD421的內部穩壓器和外場效應晶體管DN25D調節AD421的輸入電壓，AD421可為FSK信號提供+3.3V的電壓作為其他設備的電源HART發送的FSK信號，通過電容耦合傳輸到AD421，并轉換為相應的0.5毫安正弦電流信號。從電壓信號到電流信號的回路耦合電容為0.0033uF。
HART通訊協議的軟件實現。
智能電磁流量計的串行中斷處理程序
串行中斷服務程序中，首先保護現場，判斷是接收中斷還是發送中斷，執行接收中斷的子程序，否則執行發送服務的子程序。在解決結束后，恢復站點，返回系統主程序。采用水平和垂直驗證方法進行HART通信。在發出指令幀后，當檢測到接收到的數據有錯誤時，主設備將通知它接收錯誤數據。為確保通信正確，主設備重新發布了命令幀。
必須先分割該幀，然后才能響應命令。先判斷幀前導頻碼是否正確，每次計數時，加1接收幀前導頻碼，接收定義碼。在有效定義碼且前導頻碼計數器大于1的情況下，HART幀的開始位置，HART幀類型由定義碼決定。若為應答幀或組合模式幀，接收服務將終止，等待運營商結束。在需要幀時，確定幀的格式，設置計數器的值，以接收長幀格式或短幀格式地址，短幀格式格式地址為一個字節，長幀格式地址為五個字節。接收命令號，數據字節長長字節，當數據字節長字節發生奇偶校驗錯誤時，停止接收服務，等待載波節點；否則，設置數據字節長度計數器，在每次接收到數據字節時，長度計數器減1,*，然后再接受電平校驗和。若收到請求的地址一致，則請求收到的HART幀是不同的或經過水平檢查的，這意味著與接收水平檢查相比沒有通信錯誤。不然，就把級別檢查和錯誤標志設為1，結束接收服務，進入HART命令來執行子程序。
第五，結論。
研制成功的智能化電磁流量計，集成度高，功能強，操作簡便，性能可靠。具備自診斷，自驗證，HART數據通訊功能。該系統可同時測量正、負兩個方向的流量和脈動流量。EMI、溫度特性好，適合于現場測量、顯示；
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