HART協議在（zài）雨水流量計中（zhōng）的硬件設（shè）計與軟（ruǎn）件實現
點擊次數（shù）：1995 發布時間：2021-09-04 01:57:59
摘要：現場總線控製係統代表了工業控製係統向分散（sàn）化（huà）、網絡化、智能化（huà）發展的方向。為構建現場總線型工業測控（kòng）係統，要求係統中所有儀表都應具有現（xiàn）場總線功（gōng）能。其中（zhōng），HART總線技術在電（diàn）磁流量儀表中應用*為廣泛，本文在對HART協議進行詳細分析的基礎上，重點介紹了係統設計結構以及HART協議（yì）在雨水流量計中（zhōng）的軟硬件實現方法，測試結果（guǒ）表明，該設（shè）計滿足現場實際（jì）要求，達（dá）到了設計目的。
HART，即Highway Addressable Remote Transduc-er，是可（kě）尋址遠程傳感（gǎn）器高速公路的簡稱，*早由美國Rosemount公司開發（fā）並得到八十多家**儀表（biǎo）公司的支持，其特（tè）點是在不幹擾4~20mA模擬信號的同時（shí）允許雙向數字通訊。符（fú）合HART協議的雨水流量計不僅可以實現各種流量的檢測和就地顯示，還可以通過上位機進行遠程設定,改變流量計的零點、量（liàng）程，以及完成自診（zhěn）斷等（děng）功能（néng），在很大程（chéng）度上方便了流量計的使用和維（wéi）護，因而具有較強的市場競爭力。本文（wén）討論基於HART協議雨水流量計具體實（shí）現的技術問題，一是要解決硬（yìng）件電路的設計（jì）問題，二是要討論（lùn）實現HART協議命（mìng）令集編程及上位機軟件的（de）實現。
1、HART協議（yì）簡介
HART協議遵循ISO製訂（dìng）的OSI開放式係統互（hù）連參考（kǎo）模型，采用了OSI模型的*一層、*二層和*七層（céng），即（jí）物理層、數據鏈路層和應用層。
1.1 物理層規範
HART協議采用（yòng）美國電（diàn）話通（tōng）訊係統Bell202頻移鍵控(FSK)標準（zhǔn），在4~20 mA的模擬0.5mA的正弦波，波特率是1200bps。因（yīn）為所疊（dié）加（jiā）的正弦信號平均值為0，而且相（xiàng）位連續頻移鍵控技術要求在波特率為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（xùn）信號不會影（yǐng）響4~20mA的模擬信號。
1.2 數據鏈路層規範
這一部分協議規定了HART幀的（de）格式，實現建立、維護、終（zhōng）結鏈路（lù）通訊（xùn）功能，HART協議根據冗餘檢（jiǎn）錯碼信息，通過差錯檢測機製和采用自動重發請求協議(ARQ)，實現（xiàn）通訊數據（jù）無差（chà）錯傳送。與協議相關的實體間的數據傳輸是以幀的形式實現的。幀是用戶控製和（hé）尋（xún）址信息對用戶數據的封裝，隻有幀中的字節記數結束且經過了差錯檢驗接收正確無誤或是物理（lǐ）層通知信號（hào）傳輸終止（zhǐ）(如檢測不到載（zǎi）波)之後才可以進行幀的識別。HART幀的格式如圖1所示。
●PREAMBLE前導信號（hào）：實際上是同步信號，各通訊設備可以據此略做調整，保證信（xìn）息的同步。
●DELIM定界符：一個獨特的或是*容易識別的字符，*高位規定幀的尋（xún）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：包含了（le）源地址和目的地址，*高位都（dōu）用來（lái）表示與該幀相關的主設備的地址。“1”表示基本主設備；“0”表示副主設備。
●COM命令字節：表示現場儀表所要執行的功（gōng）能（néng），範圍為255個。
●BYTE CORNT數據總長度：該值（zhí）表示的是BYTE CORNT下一個字節到*後(不包括校驗字節)的字節數（shù）。
●DATA數據字節：傳送用戶數據（jù）和響應（yīng）數據，但不是每個幀中都會包含（hán）數據。
●CHK奇偶校驗：方式是縱向奇偶校驗。
在數據鏈路層中（zhōng）的HART協議是一（yī）種“主/從”協議，即由主（zhǔ）設備產生消息，而從設備（bèi）隻在接收（shōu）到發送給它的消息後才做出應答。在從（cóng）設備（bèi）的應答消（xiāo）息中除了已被接收（shōu）的確認命令，許多消息（xī）中還包含了主設備詢（xún）問的（de）數據。HART協議允許係統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（tóng）的地址來向它們分發各自的應答命令消息。實際上在智能現場設（shè）備與中央控製或監測設備的信息往返通訊，根據（jù）傳輸信號的不（bú）同（tóng），可以分為以（yǐ）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 應用層規範
HART協議中包含三類命（mìng）令：*一類為（wéi）通用命令，適（shì）用於遵守HART協議（yì）的所有產品，符（fú）合HART協議的設備提供功能描述（shù）；*二類為普通操（cāo）作（zuò）命令，適用於遵守HART協（xié）議的大部分產品，當設備具有某些功（gōng）能時，該命（mìng）令用於對這些功能的描述（shù）；*三類為設備（bèi）特殊命令，適用於（yú）遵守HART協議的特（tè）殊產品，提供一些特殊的功能描述命令。HART協議對於（yú）廠（chǎng）家生產的具有特殊功能的產品還提供了設備描述語言DDL，以確保互操作性。
2、基於HART協議的雨水流量計的硬件設計
帶有HART通訊協議的雨水流量計的硬件係統電路采用模塊化設計，主要包括傳感器模塊、MCU模塊、HART通訊模塊和人機界麵模塊4個部分。由單片機控製的低頻勵磁（cí）電流輸出到（dào）傳感器（qì）的勵磁線（xiàn）圈中（zhōng），同（tóng）時來自電（diàn）磁流量傳感器的微小電勢信號經前置放大後通過AD模數轉換電路送入到單片機。單片機（jī）對這些信號進行數據采集，分析處（chù）理（lǐ）送（sòng）至液晶顯示屏進行瞬時流量和（hé）累積流量的顯示（shì）。同時單片機通過計（jì）算公式對得到的流量值進行補（bǔ）償，將補償後的流量信（xìn）號通過HART通訊模塊實（shí）現與上位機的遠程通訊。
2.1 HART通（tōng）訊模塊設計
HT2012芯片用來實現HART協議中（zhōng）通（tōng）訊信號（hào）的解調及調（diào）製過程。圖2為調製解調器（qì）與微處理器的連接。
HARTHART信（xìn）號的解調過（guò）程：由帶通濾波器輸出（chū）的脈衝信號進（jìn）入HT2012後，調製解調器分別將脈衝信號中的1200Hz和2200Hz解調為數字1和0，再將數字信號由HT2012的ORXD端口（kǒu）輸（shū）出，CPU對接（jiē）收到（dào）的數據（jù）進（jìn）行判斷並執行相應的任務。
2.2 HT2012與外部接口
HART數字信號（hào）規範是峰值為（wéi）1mA、平均值為（wéi）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（xìn）號（hào），而HT2012輸入和輸出信號是0~5V的方波（bō）信號，因此在HT2012和外部的HART信號之間還需要（yào）有濾波電路（lù）和整（zhěng）形電路。如圖3所示，由TLC27組成的濾波器是（shì）帶通濾波器，用來減少接收信號的（de）噪聲幹擾。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（de）數（shù）字方波產生回路把（bǎ）經（jīng）過TLC27濾波後的正弦波轉變成相應的方波，以便於HT2012接收。
如圖4所示，緩衝器74HC126的（de）作用是使方波的上（shàng）升（shēng）沿和下降沿趨於平緩，使信號滿足HART物理層規範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（dī）與其它網絡間的串擾。
HT2012需要（yào）外部提供460.8kHz的時（shí）鍾信（xìn）號，且要求（qiú）時鍾頻率（lǜ）的誤差是0.1%，若直接入一個460.8kHz的晶振不（bú）僅會引（yǐn）起係統功耗的增加，而且（qiě）該晶振屬於非標準晶振，需專門定製。為了解決這一（yī）問題，在係統中采用一片（piàn）1.8432MHz的晶振以（yǐ）產（chǎn）生時鍾信號，再經分頻器CD4013進行4分頗，可輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分頻信號供HT2012使用。AD421其內部（bù）的電壓調節器與外部的場效應管DN25D對輸入到（dào）AD421的電壓進（jìn）行調整，可提供（gòng）+3.3V電壓作為其他設備的電源。HART發出的FSK信號（hào），經過一個電容耦合送到AD421中，轉換成相應的0.5mA正弦電（diàn）流（liú）信（xìn）號，實現電壓（yā）信號到電流信號的轉換，同時，疊加在4~20mA的電流上送給接收設備，實現了HART協議的信（xìn）息的交換。本電（diàn）路耦合電容取為0.0033μF，如圖5所示。
3、HART通訊協議的軟件實現
3.1 雨水流量計串口中斷程序
在HART通信（xìn）中，雨水流量計作為從設備進行（háng）通訊，所以這裏的（de）軟件設計隻是針對於從設備。HART通信（xìn）采用水（shuǐ）平和垂直校驗的方法（fǎ）。當檢測到接收數據有差錯時，則等到（dào）主設備命（mìng）令幀發完後，通知主設備數據接收有誤。主設備（bèi）則重新發命令幀，從而（ér）保（bǎo）證通信的準確可靠。HART中斷子程序流程圖如（rú）圖6所（suǒ）示。由於HART通信為主從方式，HART幀中每個字節在物理層傳輸需要（yào）9ms左右（yòu），為了保證通（tōng）訊的實時性，通（tōng）訊程序采用串行口終端接收/發送。該中斷所要（yào）完成通信中的主（zhǔ）要任務，即接（jiē）收（shōu）和發送幀，幀的（de）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，主設備（bèi）向從設備發送)；地址為00(輪循地址)；命令字是00(讀變送器標識命（mìng）令字節數)；無（wú）數據（jù）。
2)追加校驗和：采用異或邏輯運算求校驗和追加在字（zì）節數後，形成（chéng）完整命令。
3)按異步串行通信方（fāng）式發送命令並接收從設備回答的信息。
4)從回答（dá）的信息中提取（qǔ）流量（liàng）計（jì）長幀地址。
5)形成讀流量計其他（tā）數據命（mìng）令：5個FF前導碼；起始字符為82(采用長幀格式時，主設（shè）備向（xiàng）從設備發送)；地址為流量計長幀地址；命令字、字節數和數據略；采用異或邏（luó）輯運算求校驗和，追加在字節數（shù）後，形成完整命令。
6)按異步串行通信方式發送命（mìng）令並接收（shōu）儀（yí）器回答的信息。
7)從回答的信息中提取流量計數據。以後再讀取流量計的數據時，隻進行（háng）(5)~(7)步即可。流程圖見圖7所示。
4、結論
對研製的雨水流（liú）量計進行試驗表明：該流量計（jì）集成化程度高、功能強、操作方便、性能可（kě）靠；具（jù）有自診斷、自（zì）檢（jiǎn）定功能和HART數據通訊功能；可測（cè）正（zhèng）反兩個方向流量，也可測（cè）脈動流量；抗電磁幹擾和溫度性能好，適合於現場測量和顯示；測量範圍大，準確度高。
HART，即Highway Addressable Remote Transduc-er，是可（kě）尋址遠程傳感（gǎn）器高速公路的簡稱，*早由美國Rosemount公司開發（fā）並得到八十多家**儀表（biǎo）公司的支持，其特（tè）點是在不幹擾4~20mA模擬信號的同時（shí）允許雙向數字通訊。符（fú）合HART協議的雨水流量計不僅可以實現各種流量的檢測和就地顯示，還可以通過上位機進行遠程設定,改變流量計的零點、量（liàng）程，以及完成自診（zhěn）斷等（děng）功能（néng），在很大程（chéng）度上方便了流量計的使用和維（wéi）護，因而具有較強的市場競爭力。本文（wén）討論基於HART協議雨水流量計具體實（shí）現的技術問題，一是要解決硬（yìng）件電路的設計（jì）問題，二是要討論（lùn）實現HART協議命（mìng）令集編程及上位機軟件的（de）實現。
1、HART協議（yì）簡介
HART協議遵循ISO製訂（dìng）的OSI開放式係統互（hù）連參考（kǎo）模型，采用了OSI模型的*一層、*二層和*七層（céng），即（jí）物理層、數據鏈路層和應用層。
1.1 物理層規範
HART協議采用（yòng）美國電（diàn）話通（tōng）訊係統Bell202頻移鍵控(FSK)標準（zhǔn），在4~20 mA的模擬0.5mA的正弦波，波特率是1200bps。因（yīn）為所疊（dié）加（jiā）的正弦信號平均值為0，而且相（xiàng）位連續頻移鍵控技術要求在波特率為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（xùn）信號不會影（yǐng）響4~20mA的模擬信號。
1.2 數據鏈路層規範
這一部分協議規定了HART幀的（de）格式，實現建立、維護、終（zhōng）結鏈路（lù）通訊（xùn）功能，HART協議根據冗餘檢（jiǎn）錯碼信息，通過差錯檢測機製和采用自動重發請求協議(ARQ)，實現（xiàn）通訊數據（jù）無差（chà）錯傳送。與協議相關的實體間的數據傳輸是以幀的形式實現的。幀是用戶控製和（hé）尋（xún）址信息對用戶數據的封裝，隻有幀中的字節記數結束且經過了差錯檢驗接收正確無誤或是物理（lǐ）層通知信號（hào）傳輸終止（zhǐ）(如檢測不到載（zǎi）波)之後才可以進行幀的識別。HART幀的格式如圖1所示。
●PREAMBLE前導信號（hào）：實際上是同步信號，各通訊設備可以據此略做調整，保證信（xìn）息的同步。
●DELIM定界符：一個獨特的或是*容易識別的字符，*高位規定幀的尋（xún）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：包含了（le）源地址和目的地址，*高位都（dōu）用來（lái）表示與該幀相關的主設備的地址。“1”表示基本主設備；“0”表示副主設備。
●COM命令字節：表示現場儀表所要執行的功（gōng）能（néng），範圍為255個。
●BYTE CORNT數據總長度：該值（zhí）表示的是BYTE CORNT下一個字節到*後(不包括校驗字節)的字節數（shù）。
●DATA數據字節：傳送用戶數據（jù）和響應（yīng）數據，但不是每個幀中都會包含（hán）數據。
●CHK奇偶校驗：方式是縱向奇偶校驗。
在數據鏈路層中（zhōng）的HART協議是一（yī）種“主/從”協議，即由主（zhǔ）設備產生消息，而從設備（bèi）隻在接收（shōu）到發送給它的消息後才做出應答。在從（cóng）設備（bèi）的應答消（xiāo）息中除了已被接收（shōu）的確認命令，許多消息（xī）中還包含了主設備詢（xún）問的（de）數據。HART協議允許係統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（tóng）的地址來向它們分發各自的應答命令消息。實際上在智能現場設（shè）備與中央控製或監測設備的信息往返通訊，根據（jù）傳輸信號的不（bú）同（tóng），可以分為以（yǐ）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 應用層規範
HART協議中包含三類命（mìng）令：*一類為（wéi）通用命令，適（shì）用於遵守HART協議（yì）的所有產品，符（fú）合HART協議的設備提供功能描述（shù）；*二類為普通操（cāo）作（zuò）命令，適用於遵守HART協（xié）議的大部分產品，當設備具有某些功（gōng）能時，該命（mìng）令用於對這些功能的描述（shù）；*三類為設備（bèi）特殊命令，適用於（yú）遵守HART協議的特（tè）殊產品，提供一些特殊的功能描述命令。HART協議對於（yú）廠（chǎng）家生產的具有特殊功能的產品還提供了設備描述語言DDL，以確保互操作性。
2、基於HART協議的雨水流量計的硬件設計
帶有HART通訊協議的雨水流量計的硬件係統電路采用模塊化設計，主要包括傳感器模塊、MCU模塊、HART通訊模塊和人機界麵模塊4個部分。由單片機控製的低頻勵磁（cí）電流輸出到（dào）傳感器（qì）的勵磁線（xiàn）圈中（zhōng），同（tóng）時來自電（diàn）磁流量傳感器的微小電勢信號經前置放大後通過AD模數轉換電路送入到單片機。單片機（jī）對這些信號進行數據采集，分析處（chù）理（lǐ）送（sòng）至液晶顯示屏進行瞬時流量和（hé）累積流量的顯示（shì）。同時單片機通過計（jì）算公式對得到的流量值進行補（bǔ）償，將補償後的流量信（xìn）號通過HART通訊模塊實（shí）現與上位機的遠程通訊。
2.1 HART通（tōng）訊模塊設計
HT2012芯片用來實現HART協議中（zhōng）通（tōng）訊信號（hào）的解調及調（diào）製過程。圖2為調製解調器（qì）與微處理器的連接。
HARTHART信（xìn）號的解調過（guò）程：由帶通濾波器輸出（chū）的脈衝信號進（jìn）入HT2012後，調製解調器分別將脈衝信號中的1200Hz和2200Hz解調為數字1和0，再將數字信號由HT2012的ORXD端口（kǒu）輸（shū）出，CPU對接（jiē）收到（dào）的數據（jù）進（jìn）行判斷並執行相應的任務。
2.2 HT2012與外部接口
HART數字信號（hào）規範是峰值為（wéi）1mA、平均值為（wéi）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（xìn）號（hào），而HT2012輸入和輸出信號是0~5V的方波（bō）信號，因此在HT2012和外部的HART信號之間還需要（yào）有濾波電路（lù）和整（zhěng）形電路。如圖3所示，由TLC27組成的濾波器是（shì）帶通濾波器，用來減少接收信號的（de）噪聲幹擾。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（de）數（shù）字方波產生回路把（bǎ）經（jīng）過TLC27濾波後的正弦波轉變成相應的方波，以便於HT2012接收。
如圖4所示，緩衝器74HC126的（de）作用是使方波的上（shàng）升（shēng）沿和下降沿趨於平緩，使信號滿足HART物理層規範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（dī）與其它網絡間的串擾。
HT2012需要（yào）外部提供460.8kHz的時（shí）鍾信（xìn）號，且要求（qiú）時鍾頻率（lǜ）的誤差是0.1%，若直接入一個460.8kHz的晶振不（bú）僅會引（yǐn）起係統功耗的增加，而且（qiě）該晶振屬於非標準晶振，需專門定製。為了解決這一（yī）問題，在係統中采用一片（piàn）1.8432MHz的晶振以（yǐ）產（chǎn）生時鍾信號，再經分頻器CD4013進行4分頗，可輸出1.8432MHz/4=460.8kHz的分頻信號供HT2012使用。AD421其內部（bù）的電壓調節器與外部的場效應管DN25D對輸入到（dào）AD421的電壓進（jìn）行調整，可提供（gòng）+3.3V電壓作為其他設備的電源。HART發出的FSK信號（hào），經過一個電容耦合送到AD421中，轉換成相應的0.5mA正弦電（diàn）流（liú）信（xìn）號，實現電壓（yā）信號到電流信號的轉換，同時，疊加在4~20mA的電流上送給接收設備，實現了HART協議的信（xìn）息的交換。本電（diàn）路耦合電容取為0.0033μF，如圖5所示。
3、HART通訊協議的軟件實現
3.1 雨水流量計串口中斷程序
在HART通信（xìn）中，雨水流量計作為從設備進行（háng）通訊，所以這裏的（de）軟件設計隻是針對於從設備。HART通信（xìn）采用水（shuǐ）平和垂直校驗的方法（fǎ）。當檢測到接收數據有差錯時，則等到（dào）主設備命（mìng）令幀發完後，通知主設備數據接收有誤。主設備（bèi）則重新發命令幀，從而（ér）保（bǎo）證通信的準確可靠。HART中斷子程序流程圖如（rú）圖6所（suǒ）示。由於HART通信為主從方式，HART幀中每個字節在物理層傳輸需要（yào）9ms左右（yòu），為了保證通（tōng）訊的實時性，通（tōng）訊程序采用串行口終端接收/發送。該中斷所要（yào）完成通信中的主（zhǔ）要任務，即接（jiē）收（shōu）和發送幀，幀的（de）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，主設備（bèi）向從設備發送)；地址為00(輪循地址)；命令字是00(讀變送器標識命（mìng）令字節數)；無（wú）數據（jù）。
2)追加校驗和：采用異或邏輯運算求校驗和追加在字（zì）節數後，形成（chéng）完整命令。
3)按異步串行通信方（fāng）式發送命令並接收從設備回答的信息。
4)從回答（dá）的信息中提取（qǔ）流量（liàng）計（jì）長幀地址。
5)形成讀流量計其他（tā）數據命（mìng）令：5個FF前導碼；起始字符為82(采用長幀格式時，主設（shè）備向（xiàng）從設備發送)；地址為流量計長幀地址；命令字、字節數和數據略；采用異或邏（luó）輯運算求校驗和，追加在字節數（shù）後，形成完整命令。
6)按異步串行通信方式發送命（mìng）令並接收（shōu）儀（yí）器回答的信息。
7)從回答的信息中提取流量計數據。以後再讀取流量計的數據時，隻進行（háng）(5)~(7)步即可。流程圖見圖7所示。
4、結論
對研製的雨水流（liú）量計進行試驗表明：該流量計（jì）集成化程度高、功能強、操作方便、性能可（kě）靠；具（jù）有自診斷、自（zì）檢（jiǎn）定功能和HART數據通訊功能；可測（cè）正（zhèng）反兩個方向流量，也可測（cè）脈動流量；抗電磁幹擾和溫度性能好，適合於現場測量和顯示；測量範圍大，準確度高。
上一篇（piān）：定製海水（shuǐ）流量計勵磁控製（zhì）方案設計