1 引言

        HART,，即Highway Addressable Remote Transducer,，是可尋址遠程傳感器高速公路的簡稱,，最早由美國Rosemount公司開發(fā)并得到八十多家著名儀表公司的支持,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，還可以通過上位計進行遠程設定,，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,，因而具有較強的市場競爭力。^[1]本文討論基于HART協(xié)議智能電磁流量計具體實現(xiàn)的技術問題,一是要解決硬件電路的設計問題,，二是要討論實現(xiàn)HART協(xié)議命令集編程及上位機軟件的實現(xiàn),。

2 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 模型的第一層、第二層和第七層,，即物理層,、數(shù)據鏈路層和應用層。

2.1 物理層規(guī)范

         HART 協(xié)議采用美國電話通訊系統(tǒng)Bell202頻移鍵控(FSK)標準,，在4～20mA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(xù)頻移鍵控技術要求在波特率為 1200Hz的數(shù)據位 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4～20mA的模擬信號。

2.2 數(shù)據鏈路層規(guī)范^[2][3]

         這一部分協(xié)議規(guī)定了HART 幀的格式,，實現(xiàn)建立,、維護、數(shù)據鏈路通訊功能,，HART協(xié)議根據冗余檢錯碼信息,，通過差錯檢測機制和采用自動重發(fā)請求協(xié)議（ARQ），實現(xiàn)通訊數(shù)據無差錯傳送,。

        與協(xié)議相關的數(shù)據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)據的封裝，只有幀中的字節(jié)記數(shù)結束且經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）之后才可以進行幀的識別,。HART 幀的格式如圖1所示,。

                                                                                        圖1

        PREAMBLE　前導信號。
        DELIM 定界符：一個獨特的或是最容易識別的字符,。
        ADDR地址字節(jié)：包含了源地址和目的地址,最高位都用來表示與該幀相關的主設備的地址,。
        COM 命令字節(jié)：表示現(xiàn)場儀表所要執(zhí)行的功能,。 
         BYTE CORNT數(shù)據總長度：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)據字節(jié)。
         CHK　奇偶校驗：縱向奇偶校驗,。

       在數(shù)據鏈路層中的HART協(xié)議是一種“主/從”協(xié)議,。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問的數(shù)據,。HART協(xié)議允許系統(tǒng)中同時有兩個主設備運行,，一個基本主設備，一個副主設備,。從設備根據兩個主設備不同的地址來向它們分發(fā)各自的應答命令消息,。

2.3 應用層規(guī)范^[4]

        規(guī)定了HART消息包中的3類命令，第一類是通用命令,，適用于遵守HART協(xié)議的所有產品,，為符合HART協(xié)議的設備提供功能描述；第二類是普通操作命令,，適用于遵守HART協(xié)議的大部分產品,；第三類是設備特殊命令,，適用于遵守HART協(xié)議的特殊產品。

3 基于HART協(xié)議的智能電磁流量計的硬件設計

        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四個部分,。

         由單片機控制的低頻勵磁電流輸出到傳感器的勵磁線圈中,，同時來自電磁流量傳感器的微小電勢信號經前置放大后通過AD模數(shù)轉換電路送入到單片機。單片機對這些信號進行數(shù)據采集,，分析處理送至液晶顯示屏進行瞬時流量和累積流量的顯示,。同時單片機通過計算公式對得到的流量值進行補償，將補償后的流量信號通過HART通訊模塊實現(xiàn)與上位機的遠程通訊,。

3.1 HART通訊模塊設計

        HT2012 芯片用來實現(xiàn)HART 協(xié)議中通訊信號的解調及調制過程,。圖2為調制解調器與微處理器的連接。

        HART 信號的解調過程：由帶通濾波器輸出的脈沖信號進入HT2012 后,，調制解調器分別將脈沖信號中的1200Hz和2200Hz解調為數(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)據進行判斷并執(zhí)行相應的任務,。

                  圖2 HART接口電路

3.2 HT2012 與外部接口

        HART數(shù)字信號規(guī)范是峰值為1mA,、平均值為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,。TLC37 組成的數(shù)字方波產生回路把經過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絡間的串擾。

          HT2012需要外部提供460.8kHz的時鐘信號,，且要求時鐘頻率的誤差是±0.1%,，若直接入一個460.8kHz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準晶振,，需專門定制,。為了解決這一問題，在系統(tǒng)中采用一片1.8432MHz的晶振以產生時鐘信號，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其內部的電壓調節(jié)器與外部的場效應管DN25D對輸入到AD421的電壓進行調整，可提供+3.3V電壓作為其他設備的電源,。HART發(fā)出的FSK信號,，經過一個電容耦合送到AD421中，轉換成相應的±0.5mA正弦電流信號,，實現(xiàn)電壓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(xiàn)了HART協(xié)議的信息的交換,。本電路耦合電容取為0. 0033μF。

4 HART通訊協(xié)議的軟件實現(xiàn)

4.1 智能電磁流量計串口中斷程序^[5]

                  　　在串行口中斷服務程序中,，首先保護現(xiàn)場,，然后判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷，若為接收中斷則執(zhí)行接收服務子程序,，否則執(zhí)行發(fā)送服務子程序,。中斷處理結束后，恢復現(xiàn)場并返回系統(tǒng)主程序,。HART通信采用水平和垂直校驗的方法,。當檢測到接收數(shù)據有差錯時，則等到主設備命令幀發(fā)完后,，通知主設備數(shù)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串口中斷子程序流程圖如圖5所示,。

                                                                                 圖5 串口中斷程序

4.2 HART命令拆分子程序[6][7]

      在對命令幀響應之前先要將該幀拆分，即首先判斷該幀前導碼是否正確,，每接收一個前導碼,，計數(shù)器加1,。再接收定界符,，若為有效的定界符且前導碼計數(shù)器大于1，則為HART幀的起始位置,，根據定界符確定HART幀的類型,，若為應答幀或成組模式幀則終止接收服務，等待載波結束,；若為請求幀,，則確定幀格式，設置接收長幀格式或短幀格式地址計數(shù)值，短幀格式地址接收1個字節(jié),，長幀格式地址接收5個字節(jié),。再接收命令號，數(shù)據字節(jié)長度字節(jié),，若數(shù)據字節(jié)長度字節(jié)出現(xiàn)奇偶校驗錯誤則終止接收服務,，等待載波結束；否則設置數(shù)據字節(jié)長度計數(shù)器,，每接收一個數(shù)據字節(jié),，長度計數(shù)器減1，最后接收水平校驗和,。若接收請求地址匹配,，對接收的HART 幀異或求水平校驗和，并與接收水平校驗和進行比較,，相同則表示無通訊錯誤,，否則置水平校驗和錯誤標志為1，結束接收服務并轉入HART命令執(zhí)行子程序,。命令幀拆分程序流程如圖6所示,。

                                                               圖6 HART命令幀拆分程序流程圖

5 結論

        對研制的智能電磁流量計進行試驗表明：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(shù)據通訊功能,；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，準確度高,。

參考文獻

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       [3] HART Communication Foundation Revision: 7.1 HCF_SPEC_81.November, 1996.Data Link Layer Specification. USA
       [4] HART Communication Foundation Revision: 7.1 HCF_SPEC_99.January, 1997.Command Summary Specification. USA
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       [6] 張旭東, 凌志浩，基于HART 協(xié)議的實時設備管理系統(tǒng)[J],，華東理工大學學報
       [7] 衛(wèi)敏,，基于HART協(xié)議的儲罐自動計量系統(tǒng)的設計[D],，合肥工業(yè)大學碩士學位論文，2005年