常州鑫旺儀表有限公司電磁式流量計(jì)HART協(xié)議應(yīng)用說明
作者:常州鑫旺儀表有限公司
2021-07-06
電磁式流量計(jì)HART協(xié)議應(yīng)用說明
第一節(jié)前言
滿足HART協(xié)議的智能電磁流量計(jì)，不僅能對(duì)各種流量進(jìn)行檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)顯示，還能通過上位機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)置，改變流量計(jì)零點(diǎn)范圍，完成自診斷，使用維護(hù)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(yīng)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(guó)BelI202頻移鍵控(FSK)標(biāo)準(zhǔn)，模擬正弦波4~20毫安，波特率1200bps，正弦信號(hào)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(hào)對(duì)4~20mA的模擬信號(hào)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和通信功能。該協(xié)議利用冗余的錯(cuò)誤碼信息，采用錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制和自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求協(xié)議ARQ來實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的無錯(cuò)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(cuò)誤檢查或物理層通知信號(hào)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(rèn)命令外，許多來自設(shè)備的響應(yīng)信息還包括主設(shè)備查詢的數(shù)據(jù)。該HART協(xié)議允許系統(tǒng)中的兩個(gè)主設(shè)備同時(shí)運(yùn)行一個(gè)輔助主設(shè)備。根據(jù)兩個(gè)主設(shè)備的地址從設(shè)備分發(fā)自己的響應(yīng)命令信息。
三、應(yīng)用層說明。
在HART包中有三個(gè)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(shè)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(shè)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(jì)智能通信模塊設(shè)計(jì)。
基于HART通信協(xié)議的電磁流量計(jì)智能控制系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由傳感器、單片機(jī)、HART通信和人機(jī)接口等模塊組成。
通過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將由單片機(jī)控制的低頻激勵(lì)電流輸出到傳感器的激勵(lì)線，由電磁流量傳感器通過預(yù)放大后的微電信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)。MCU采集這些信號(hào)，分析后發(fā)送給LCD，顯示瞬間流量和累積流量。通過計(jì)算公式對(duì)得到的流量值進(jìn)行補(bǔ)償，通過HART通信模塊實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償后的流量信號(hào)與上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信。文中只介紹了HART通訊模塊的設(shè)計(jì)。
利用HT2012芯片，實(shí)現(xiàn)了HART協(xié)議中通信信號(hào)的調(diào)校和HART信號(hào)的調(diào)校過程：帶濾波器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)入HT2012后，分別將1200Hz和2200Hz的脈沖信號(hào)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(hào)的標(biāo)準(zhǔn)，將線路阻抗轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號(hào)。由于HT2012的輸入輸出信號(hào)是0~5V方波信號(hào)，所以在HT2012與外部HART信號(hào)之間需要設(shè)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(hào)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(hào)。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(yīng)的方波，使HT2012接收更加方便。
緩沖74HC126的作用是使信號(hào)能達(dá)到HART物理層規(guī)范所要求的信號(hào)波形升降沿的平滑升降沿，平滑升降沿的時(shí)間可減小與其他網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的電阻，從而達(dá)到平滑升降沿的作用。
對(duì)于HT2012，需要有460.8kHz的外部時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘頻率誤差為0.1%。而460.8kHz的直接晶振不僅會(huì)增加系統(tǒng)功耗，而且晶振是對(duì)是錯(cuò)，需要特別定制。為解決這一問題，系統(tǒng)采用1.8432MHz晶體振動(dòng)來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，利用HT2012實(shí)現(xiàn)了1.8432MHz/4=460.8kHz的分頻信號(hào)通過分頻器CD40134分鐘輸出。
通過AD421的內(nèi)部穩(wěn)壓器和外場(chǎng)效應(yīng)晶體管DN25D調(diào)節(jié)AD421的輸入電壓，AD421可為FSK信號(hào)提供+3.3V的電壓作為其他設(shè)備的電源HART發(fā)送的FSK信號(hào)，通過電容耦合傳輸?shù)紸D421，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的0.5毫安正弦電流信號(hào)。從電壓信號(hào)到電流信號(hào)的回路耦合電容為0.0033uF。
HART通訊協(xié)議的軟件實(shí)現(xiàn)。
智能電磁流量計(jì)的串行中斷處理程序
串行中斷服務(wù)程序中，首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，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(wù)的子程序。在解決結(jié)束后，恢復(fù)站點(diǎn)，返回系統(tǒng)主程序。采用水平和垂直驗(yàn)證方法進(jìn)行HART通信。在發(fā)出指令幀后，當(dāng)檢測(cè)到接收到的數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤時(shí)，主設(shè)備將通知它接收錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。為確保通信正確，主設(shè)備重新發(fā)布了命令幀。
必須先分割該幀，然后才能響應(yīng)命令。先判斷幀前導(dǎo)頻碼是否正確，每次計(jì)數(shù)時(shí)，加1接收幀前導(dǎo)頻碼，接收定義碼。在有效定義碼且前導(dǎo)頻碼計(jì)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(yīng)答幀或組合模式幀，接收服務(wù)將終止，等待運(yùn)營(yíng)商結(jié)束。在需要幀時(shí)，確定幀的格式，設(shè)置計(jì)數(shù)器的值，以接收長(zhǎng)幀格式或短幀格式地址，短幀格式格式地址為一個(gè)字節(jié)，長(zhǎng)幀格式地址為五個(gè)字節(jié)。接收命令號(hào)，數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)長(zhǎng)字節(jié)，當(dāng)數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)字節(jié)發(fā)生奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，停止接收服務(wù)，等待載波節(jié)點(diǎn)；否則，設(shè)置數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器，在每次接收到數(shù)據(jù)字節(jié)時(shí)，長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器減1,*，然后再接受電平校驗(yàn)和。若收到請(qǐng)求的地址一致，則請(qǐng)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(cuò)誤。不然，就把級(jí)別檢查和錯(cuò)誤標(biāo)志設(shè)為1，結(jié)束接收服務(wù)，進(jìn)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(jì)，集成度高，功能強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，性能可靠。具備自診斷，自驗(yàn)證，HART數(shù)據(jù)通訊功能。該系統(tǒng)可同時(shí)測(cè)量正、負(fù)兩個(gè)方向的流量和脈動(dòng)流量。EMI、溫度特性好，適合于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、顯示；
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☆ 竭誠(chéng)為顧客提供質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品和滿意的售后服務(wù)。 ☆ 在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡量低價(jià)合理供應(yīng)。
☆ 按國(guó)標(biāo)或行標(biāo)組織生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量確保符合要求，在正確使用的情況下，使用壽命不低于其它同類產(chǎn)品。
☆ 協(xié)助顧客科學(xué)、合理地選擇產(chǎn)品類型、規(guī)格型號(hào)。
☆ 我方對(duì)出廠的產(chǎn)品，保證提供維修零配件，我方擁有規(guī)模龐大的易損件及零部件倉庫，常年為國(guó)內(nèi)外用戶提供設(shè)備維修、保養(yǎng)所需零配件。
☆ 及時(shí)供貨，正常情況下6個(gè)工作日以內(nèi)送達(dá)，特殊情況下根據(jù)客戶需要進(jìn)行商定。
☆ 產(chǎn)品在用戶使用過程中，出現(xiàn)質(zhì)量問題，在接到用戶通知后，24小時(shí)內(nèi)給予書面答復(fù)或派服務(wù)人員直接趕到用戶現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)，并堅(jiān)持做到故障不排除服務(wù)人員不撤離現(xiàn)場(chǎng)。
☆ 設(shè)備安裝調(diào)試完畢，驗(yàn)收合格后，由供方技術(shù)人員對(duì)用戶設(shè)備操作及維護(hù)人員進(jìn)行一周以上的技術(shù)培訓(xùn)及使用維修保養(yǎng)培訓(xùn)。
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