常州鑫旺儀表有限公司電磁式流量計HART協(xié)議應用說明
作者:常州鑫旺儀表有限公司
2021-07-06
第一節(jié)前言
滿足HART協(xié)議的智能電磁流量計，不僅能對各種流量進行檢測和現(xiàn)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(xié)議的引入；
該協(xié)議遵循ISO建立的OSI開放系統(tǒng)互連參考模型，采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層*層、第二層和第七層。
一、物理層的說明。
該HART協(xié)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(xù)相移鍵控技術(shù)要求波特率為1200Hz的數(shù)據(jù)比特1和0的邊界相位角是連續(xù)的，所以數(shù)字通信信號對4~20mA的模擬信號沒有影響。
2.數(shù)據(jù)鏈接層的說明。
該協(xié)議采用HART框架的形式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護和通信功能。該協(xié)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(xié)議ARQ來實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的無錯傳輸。
數(shù)據(jù)傳輸中的協(xié)議相關(guān)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(shù)據(jù)。幀字節(jié)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(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層以從協(xié)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(shù)據(jù)。該HART協(xié)議允許系統(tǒng)中的兩個主設備同時運行一個輔助主設備。根據(jù)兩個主設備的地址從設備分發(fā)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(xié)議兼容的產(chǎn)品，它為HART協(xié)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(xié)議的產(chǎn)品，而專用設備命令適用于大部分符合HART協(xié)議的特殊產(chǎn)品。
基于HART協(xié)議的電磁流量計智能通信模塊設計。
基于HART通信協(xié)議的電磁流量計智能控制系統(tǒng)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(shù)轉(zhuǎn)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)了HART協(xié)議中通信信號的調(diào)校和HART信號的調(diào)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(diào)校到了ORXD口，輸出的數(shù)字為1和0。
采用峰值1mA，均值0mA作為HART數(shù)字信號的標準，將線路阻抗轉(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)成數(shù)字方波發(fā)生電路，將TLC27經(jīng)濾波后的正弦波轉(zhuǎn)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(guī)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(wǎng)絡串聯(lián)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(tǒng)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(tǒng)采用1.8432MHz晶體振動來產(chǎn)生時鐘信號，利用HT2012實現(xiàn)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(nèi)部穩(wěn)壓器和外場效應晶體管DN25D調(diào)節(jié)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(fā)送的FSK信號，通過電容耦合傳輸?shù)紸D421，并轉(zhuǎn)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(xié)議的軟件實現(xiàn)。
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(xiàn)場，判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷，執(zhí)行接收中斷的子程序，否則執(zhí)行發(fā)送服務的子程序。在解決結(jié)束后，恢復站點，返回系統(tǒng)主程序。采用水平和垂直驗證方法進行HART通信。在發(fā)出指令幀后，當檢測到接收到的數(shù)據(jù)有錯誤時，主設備將通知它接收錯誤數(shù)據(jù)。為確保通信正確，主設備重新發(fā)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(shù)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(shù)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(jié)束。在需要幀時，確定幀的格式，設置計數(shù)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(jié)，長幀格式地址為五個字節(jié)。接收命令號，數(shù)據(jù)字節(jié)長長字節(jié)，當數(shù)據(jù)字節(jié)長字節(jié)發(fā)生奇偶校驗錯誤時，停止接收服務，等待載波節(jié)點；否則，設置數(shù)據(jù)字節(jié)長度計數(shù)器，在每次接收到數(shù)據(jù)字節(jié)時，長度計數(shù)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(jīng)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(jié)束接收服務，進入HART命令來執(zhí)行子程序。
第五，結(jié)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(shù)據(jù)通訊功能。該系統(tǒng)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(xiàn)場測量、顯示；
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☆ 設備安裝調(diào)試完畢，驗收合格后，由供方技術(shù)人員對用戶設備操作及維護人員進行一周以上的技術(shù)培訓及使用維修保養(yǎng)培訓。
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