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HART协议在多变量涡街流量计中的实现

引言

HART fHighwayAddressableRemoteTransducer) 美国 Rosemout 司于 8O 出的一种用于 现场 能仪表 和控制 设备通 的协议 ,它 有兼 420mA模拟 号与 数字 通信 的性质 。符合 HART协议 的智 能流量 计不 仅可 以实现各种 流体 的检测 与就 地显示 ,而且 还可 以通 过上 位机进 行远 程设 ,改变流量计的零 、量程 ,以及完 自诊 ,在很 大程 上方便 了流量计的维 。本文所 究的 流量计 是在 现有 涡街流 量计 的基础 .融入 了温 和压力 数的测 ,并将 HART 讯协议 .设 、压 、流 的带 HART协议 多变 流量 。经研 究表 ,这种 多变量 涡街 流量计 不仅 能够测 量温 、压 力和流 ,而 且完全 符合 HART 议规范 ,实现 了与上位 的远程 操作 ,因而 具有广 阔的发展 前景

1HART协议简

HART 讯协 际标 组织 (IS0) “开 系统互 (osD”模 型标 准并 引用 3 ,即 理层 、数据 链路 层和 应用

(1) HART 的物 HART协议 采用 了美 电话 通讯 Bell202 ,在 4-20mA的模 拟信 叠加 幅度 为±O5mA 的正 弦波 1200Hz 逻辑

1”.2200Hz 表逻 0’。因为所 叠加 的正 弦信号 平均 值为 0,所以数 字通 讯信 不会干 420mA的模拟

(2)数据 链路 层规 了数据 帧格 ,如 1 。其可 寻址范 围是 015,当地 址为 0 ,智能 变送器 420mA与数 字通讯兼 容状 .当地址 ll5 ,则 处于全 数字通 状态 ,这 时可联结 多站模 ,并通过全 数字通 讯状况 来寻找对 话的变送 器。马 :硕 (北京化工大学)马永成 莫德

MaYongcheng MoDeju

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设备到从设备 的帧格式

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从设备到主设备的帧格式

1HART协议 的帧

(3)应用 层规 HART 讯命令 内容 ,共分 3 。第一类是通 用命 ,适用 于所 符合 HART 议的 品,如 读制造厂 、产 品型 ;第 二类 普通 用命 ,适用 部分 HART协议 的产 ,但不 同公司 HART 品可 还略 区别 ,如写主 变量 单位 、微调 DA 的零点等 以上两 大命令 了符合 HART 协议 的产 品具有 一定 的互 换性 。第三 类是特 殊命令 ,它是各 公司 自己所 特有 ,不 互相兼 ,如特 ,传感 器校正等

2 HART 的多变 涡街流

的硬 件设 计带有 HART通讯 协议 能的多 变量 涡街 流量 的硬 件系 统结构 2 电路 采取模 块化 ,主 包含 了传 感器 模块 MCU HART 讯模 块和 显示模 四个 部分 。放 波卜

首先 .由传 器模 块测 的频 号经 、滤 、整 后送入 单片机 进行 线形 化处 、量程 转换 、累计流 量计 算和 单位 转换等 。而 获得 的温 和压 力信 号送 A.,D 换器 ,通 过模 数转换 进入 单片 。一方 经过 MCU 理直 接送 入显 示模块 进行显 :另 一方面 通过 计算 公式对 到的流 量值 进行 温压 补偿 。然 .经过 温压 补偿 的流量 信号通 HART 讯模 块实现 与上 位机 的远程 讯。

21HART通讯 模块 设计

HART 讯模 块部 主要 DA 换器 Bel202MODEM及其 附属 电路来 实现 ,部分 电路 连接 HART通讯 模块 电路 图略。其 中,DA 换器 的作 用是 直接将 要变量 的数 字信 号转 换成 420mA 电流 Bell202MODEM 附属 的作 是对叠 加在 4-20mA 路上 的信 号进 带通 滤波 大后 ,对 获得的信 号进 行调 制或解

DA转换 器采用 AD421.它是 ADI公司推 出的 一种单片 高性 能数 模转 换器 ,由环 路供 电,16位数 字信 以串行 式输 ,可 以将 字信 号直接 转换 420mA 电流 。它 提供 了高精度 、全 集成 、低 的解 ,采 16引脚 DIPTSSOPIF) 中国自控网:http://wwwautocontro1cn目自控霸邮局订阅号 82946 120 ,年 13—维普资讯 http://www.cqvip.com中文核心期刊 《微计算机信息》(测控自动化)2005年第 21卷第 1

SOIC封装 ,可 实现低 的远 能工 业控 AD421除了

串行 16 DA ,还 (5V33V 3v)

稳压输出以供电路其它部分的用电

HARTMODEM Smar HT2012.它 Bell

202 讯标准 的半双 制解调 .实现 HART协议 的数字通 的编码 和译 ,采用 16 DIP 28 PLCC封装 。附属 电路主要实现信号的滤波整形,由带通滤波器和方波整 电路 组成 ( 3 4)。其 ,方 波整 电路将 HT2012 的电压信 整形 为方波 。产 生数字 电路所要 的陡峭 的上升 沿和 降沿 .然后 通过 电容 耦合 AD421 C3 口。带 通滤波 由两片低 功耗 运算 放大 器及 电阻 、电容组 ,其通 带频 率大约为 950-2550Hz 它将 4-20mA 路上±05mAHART电流信 号转换成 电压信号,经过 HT2012解调 ,再送入单片机 串行通讯接口中.从而 完成 数据 收任

由于 流量 电源 线和 号线 的两 线 制方 ,其电路 消耗 电流 05mA HART正弦 波信 流不得 4mA 的回 电流 ,即系 必须 35mA,所 以硬件 计必须 合低 功耗 ,这 也是 HART 讯模 设计 的关键 和最 大难 。以往 国内有采 软件 降低功 的做法 ,但 此举 降低 了单 片机 运算 处理数 的能力 ,而且 可能 会在 某些情 下无法 HART 、准 时和 三个 ,所 以在 这里 .笔者 采用 了纯硬 的方法 降低 功耗

比较 ,最 ADDAEEP-ROM、液 晶显 器件 以及 率信 电路这 电流 之和 22mA MCU 以低 MI-CROCHIP PIC16F877 ,它在 18432MHz下工 电流小于 08mA 力和温 度测 电路 部分 则采 05mA 的恒流源 串联 。这 电流 35mA,完 HART协议 的要 .可 在此 基础 叠加 HART ,保证 电流不 会超 4mA

由于 HT2012 外部 4608kHz的时 钟信 ,且要求 其偏 差在 ±01%的 围内 ,故 必须 使 用振 频率 的晶振 .晶振 功耗较 ,加入 4608kHz的晶振 ,系统的 ,超 HART ,而 4608kHz的晶振 并非 标准 晶振 ,需 要专 门定

为避 免专 门定 晶振和 使用 功耗 较大 晶振 电路 ,这 里利用 通用数 集成 电路 74系列搭 一个 串联谐 振式 振荡 ,以产生 18432MHz的频率 号。再利 分频 器对 四分 ,从 获得 一个 4608kHz 时钟信 号送 HT2012。经 实验 ,该信 号完 全符 HT2012 时钟信 ,而 不增 的基础上保证 了较低 的功耗。

3HART 讯协 议的 软件设

HART 讯软 件亦 HART协议 数据 路层 和应 的软件 实现 ,是 HART 变量 涡街 流量 的设计 重点HART协议 通过 MCU 串行 口采用 从方式 行通 流量计 在上 机询 问时发 出应 答信 ,通 HT2012 数据 的接 收和发 。先 由上 位机 发送 命令 帧格 .涡街 流量 串行 口中断接 到命 帧后 ,由 MCU作相 的数 处理 .然 后将 理过 的数 据整 理后 为应 的内 容放 入发 缓冲 .再 MCU 发发 中断 ,发 出应答 ,从而 完成 次命令 的交 。接 收数据 .若 该流量 计检 测到 数据 有错 .则等到 上位 机命 令帧 发送 完以后 .它 发出置 有相 应错 误状 态位 的应 答帧 ,告知上 位机 据接收有误 ,上位 收该 答帧 ,则重 发命 ,从而 证通 讯的准确 无误 的串行 中断程 序框 图如 5 。图 5 串行 中断程 序框

4结束语

研究表明,这种多变量涡街流量计不仅具有普通仪表的量程 、零 、单位 转换 功能 ,而且 完全 符合 HART 的要求 ,可与上位 机进 行远 程操 ,由上 位机 远程 读取 瞬时 流量 、累 积流量等 ,或对 量程 、零 、单位 等进 行设 ,便于 实时 监控 。同时 ,由于 引入 了温度 、压 力信 的多变 量测 ,涡街 流量 的测量 精度大 为提 。因此 ,这种 带有 HART协议 的多变量 涡街 流量 计在 内具 良好 的发展前景