開封市中儀流量儀表有限公司
開封市中儀流量儀表有限公司
暫無信息 |
閱讀：366發(fā)布時間：2021-12-20
HART協(xié)議在智能電磁流量計中的實現(xiàn)
摘.. 要: 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)代表了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向. 為構(gòu)建現(xiàn)場總線型工業(yè)測控系統(tǒng), 要求系統(tǒng)中所有儀表都應(yīng)具有現(xiàn)場總線功能. 其中, HART 總線技術(shù)在電磁流量儀表中應(yīng)用廣泛, 本文在對HART協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上, 重點介紹了系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)以及HART 協(xié)議在智能電磁流量計中的軟硬件實現(xiàn)方法. 測試結(jié)果表明, 該設(shè)計滿足現(xiàn)場實際要求, 達(dá)到了設(shè)計目的.
關(guān)鍵詞: HART協(xié)議; HT2012; 幀格式
是可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路的簡稱, 由美國Rosemount公司開發(fā)并得到八十多家儀表公司的支持, 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, 還可以通過上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)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(hù), 因而具有較強(qiáng)的市場競爭力[ 1- 3] . 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(shù)問題, 一是要解決硬件電路的設(shè)計問題, 二是要討論實現(xiàn)HART 協(xié)議命令集編程及上位機(jī)軟件的實現(xiàn).
1.. 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模型的層、第二層和第七層, 即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層.
1. 1.. 物理層規(guī)范
HART 協(xié)議采用美國電話通訊系統(tǒng)B ell202頻移鍵控( FSK )標(biāo)準(zhǔn), 在4~ 20mA 的模擬0. 5 mA 的正弦波, 波特率是1 200 bps. 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(shù)要求在波特率為1 200H z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~ 20 mA 的模擬信號.
1. 2.. 數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范
這一部分協(xié)議規(guī)定了HART 幀的格式, 實現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)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(jī)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[ 4] . 與協(xié)議相關(guān)的實體間的數(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(jié)束且經(jīng)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(jìn)行幀的識別. HART 幀的格式如圖1所示. 圖1.. HART 幀的格Fig. 1.. HART frame format .. PREAMBLE 前導(dǎo)信號: 實際上是同步信號, 各通訊設(shè)備可以據(jù)此略做調(diào)整, 保證信息的同步. .. DEL IM 定界符: 一個*的或是最容易識別的字符. 位規(guī)定幀的尋址信息分為長格式或短格式, 低3位定義了幀的類型. .. ADDR 地址字節(jié): 包含了源地址和目的地址, 位都用來表示與該幀相關(guān)的主設(shè)備的地址. .. 1..表示基本主設(shè)備; .. 0..表示副主設(shè)備. .. COM 命令字節(jié): 表示現(xiàn)場儀表所要執(zhí)行的功能, 范圍為255個. .. 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): 傳送用戶數(shù)據(jù)和響應(yīng)數(shù)據(jù), 但不是每個幀中都會包含數(shù)據(jù). .. CHK 奇偶校驗: 方式是縱向奇偶校驗. 在數(shù)據(jù)鏈路層中的HART 協(xié)議是一種.. 主/從.. 協(xié)議, 即由主設(shè)備產(chǎn)生消息, 而從設(shè)備只在接收到發(fā)送給它的消息后才做出應(yīng)答. 在從設(shè)備的應(yīng)答消息中除了已被接收的確認(rèn)命令, 許多消息中還包含了主設(shè)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(shè)備運行, 一個基本主設(shè)備, 一個副主設(shè)備. 從設(shè)備根據(jù)兩個主設(shè)備不同的地址來向它們分發(fā)各自的應(yīng)答命令消息. 實際上在智能現(xiàn)場設(shè)備與控制或監(jiān)測設(shè)備的信息往返通訊, 根據(jù)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(shù)字模式和廣播(全數(shù)字)模式.
1. 3.. 應(yīng)用層規(guī)范
HART協(xié)議中包含三類命令: 類為通用命令[ 5] , 適用于遵守HART 協(xié)議的所有產(chǎn)品, 符合HART協(xié)議的設(shè)備提供功能描述; 第二類為普通操作命令, 適用于遵守HART 協(xié)議的大部分產(chǎn)品, 當(dāng)設(shè)備具有某些功能時, 該命令用于對這些功能的描述; 第三類為設(shè)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)議對于廠家生產(chǎn)的具有特殊功能的產(chǎn)品還提供了設(shè)備描述語言DDL, 以確?；ゲ僮餍?
2.. 基于HART 協(xié)議的智能電磁流量計的硬件設(shè)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(shè)計, 主要包括傳感器模塊、MCU 模塊、HART通訊模塊和人機(jī)界面模塊4個部分. 由單片機(jī)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(jīng)前置放大后通過AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路送入到單片機(jī). 單片機(jī)對這些信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 分析處理送至液晶顯示屏進(jìn)行瞬時流量和累積流量的顯示. 同時單片機(jī)通過計算公式對得到的流量值進(jìn)行補(bǔ)償, 將補(bǔ)償后的流量信號通過HART通訊模塊實現(xiàn)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通訊.
2. 1.. HART通訊模塊設(shè)計
HT2012芯片用來實現(xiàn)HART 協(xié)議中通訊信號的解調(diào)及調(diào)制過程. 圖2為調(diào)制解調(diào)器與微處理器的連接. 圖2.. HART接口電路F ig. 2.. The interface circuit ofHART HART信號的解調(diào)過程: 由帶通濾波器輸出的脈沖信號進(jìn)入HT2012后, 調(diào)制解調(diào)器分別將脈沖信號中的1 200Hz和2 200H z解調(diào)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(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù).
2. 2.. HT2012與外部接口
HART 數(shù)字信號規(guī)范是峰值為1 mA、平均值為0 mA正弦交流電流信號, 此信號經(jīng)線路阻抗轉(zhuǎn)化為正弦交流電壓信號, 而HT2012 輸入和輸出信號是0~ 5 V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[ 6 ] . 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. TLC 37 組成的數(shù)字方波產(chǎn)生回路把經(jīng)過TLC27 濾波后的正弦波轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的方波, 以便于HT2012 接收. 圖3.. 帶通濾波電路Fig. 3.. Input bandpass flitter 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, 使信號滿足HART 物理層規(guī)范所要求的信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(wǎng)絡(luò)間的串?dāng)_. 圖4.. HART整形電路Fig. 4.. Output bandpass f litter HT2012需要外部提供460. 8 kH z的時鐘信號, 且要求時鐘頻率的誤差是0. 1% , 若直接入一個460. 8 kH z的晶振不僅會引起系統(tǒng)功耗的增加, 而且該晶振屬于非標(biāo)準(zhǔn)晶振, 需專門定制. 為了解決這一問題, 在系統(tǒng)中采用一片1. 8432MH z的晶振以產(chǎn)生時鐘信號, 再經(jīng)分頻器CD4013 進(jìn)行4分頗, 可輸出1. 8432MH z /4= 460. 8 kH z的分頻信號供HT2012 使用.AD421其內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器與外部的場效應(yīng)管DN25D對輸入到AD421的電壓進(jìn)行調(diào)整, 可提供+ 3. 3 V電壓作為其他設(shè)備的電源. HART 發(fā)出的FSK 信號, 經(jīng)過一個電容耦合送到AD421中, 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的0. 5mA 正弦電流信號, 實現(xiàn)電壓信號到電流信號的轉(zhuǎn)換, 同時, 疊加在4 ~ 20 mA 的電流上送給接收設(shè)備, 實現(xiàn)了HART協(xié)議的信息的交換. 本電路耦合電容取為0. 003 3 ..F, 如圖5所示. 圖5.. AD421輸出4~ 20 mA環(huán)路電流Fig. 5.. Interrupt program
3.. HART 通訊協(xié)議的軟件實現(xiàn)
3. 1.. 智能電磁流量計串口中斷程序
在HART通信中, 智能電磁流量計作為從設(shè)備進(jìn)行通訊, 所以這里的軟件設(shè)計只是針對于從設(shè)備. HART通信采用水平和垂直校驗的方法. 當(dāng)檢測到接收數(shù)據(jù)有差錯時, 則等到主設(shè)備命令幀發(fā)完后, 通知主設(shè)備數(shù)據(jù)接收有誤. 主設(shè)備則重新發(fā)命令幀, 從而保證通信的準(zhǔn)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 幀中每個字節(jié)在物理層傳輸需要9 ms左右, 為了保證通訊的
實時性, 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[ 7] .圖6.. HART中斷程序Fig. 6.. HART interrupt program
3. 2.. 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)采集程序
1)形成讀流量計長幀地址命令字: 5個FF前導(dǎo)碼; 起始字符為02(采用短幀格式時, 主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送) ; 地址為00(輪循地址) ; 命令字是00(讀變送器標(biāo)識命令字節(jié)數(shù)) ; 無數(shù)據(jù)
2)追加校驗和: 采用異或邏輯運算求校驗和追加在字節(jié)數(shù)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(shè)備回答的信息.
4)從回答的信息中提取流量計長幀地址.
5)形成讀流量計其他數(shù)據(jù)命令: 5 個FF 前導(dǎo)碼; 起始字符為82(采用長幀格式時, 主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送) ; 地址為流量計長幀地址; 命令字、字節(jié)數(shù)和數(shù)據(jù)略; 采用異或邏輯運算求校驗和, 追加在字節(jié)數(shù)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(shù)據(jù). 以后再讀取流量計的數(shù)據(jù)時, 只進(jìn)行( 5) ~ ( 7) 步即可. 流程圖見圖7所示. 圖7.. 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)采集流程圖F ig. 7.. F low chart of positionmachine software for data co llecting
4.. 結(jié).. 論
對研制的智能電磁流量計進(jìn)行試驗表明: 該流量計集成化程度高、功能強(qiáng)、操作方便、性能可靠; 具有自診斷、自檢定功能和HART數(shù)據(jù)通訊功能; 可測正反兩個方向流量, 也可測脈動流量; 抗電磁干擾和溫度性能好, 適合于現(xiàn)場測量和顯示; 測量范圍大, 準(zhǔn)確度高. 參.. 考.. 文.. 獻(xiàn): [ 1] 陽憲惠. 工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)[M ]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2003. [ 2] .. 丁.. 穎, 盛惠興. HART協(xié)議解析[ J] . 現(xiàn)代電子技術(shù), 2004( 1): 14- 17. [ 3] .. 鄔寬明. 現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用選編1(上) [M ]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2003. [ 4] .. 孫廣軍. HART 現(xiàn)場通信協(xié)議[ J] . 電子情報, 2002 ( 3) : 66- 68. [ 5] .. Johnson D. Aybrid communicoation: a doser look atHART [ J]. Con trd Eng ine ring, 2000, 47( 11): 61- 62. [ 6] .. 衛(wèi).. 敏. 基于HART 協(xié)議的儲罐自動計量系統(tǒng)的設(shè)計--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網(wǎng)站：
儀表網(wǎng) 設(shè)計制作，未經(jīng)允許翻錄必究 .? ? ?
請輸入賬號
請輸入密碼
請輸驗證碼
請輸入你感興趣的產(chǎn)品
請簡單描述您的需求
號碼可能有誤,請核對！
請選擇省份