HART協議在智能電磁流量計中的設計應用

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字通訊。

符合HART協議的智能電磁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協議智能電磁流量計具體實現的技術問題,一是要解決硬件電路的設計問題，二是要討論實現HART協議命令集編程及上位機軟件的實現 。

2 HART協議簡介

　　HART協議遵循ISO制訂的OSI 開放式系統互連參考模型，采用了OSI 模型的第一層、第二層和第七層，即物理層、數據鏈路層和應用層。

2.1 物理層規范

　　HART 協議采用美國電話通訊系統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，所以數字通訊信號不會影響4～20mA的模擬信號。

2.2 數據鏈路層規范[2][3]

　　這一部分協議規定了HART 幀的格式，實現建立、維護、數據鏈路通訊功能，HART協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請求協議（ARQ），實現通訊數據無差錯傳送。

　　與協議相關的數據傳輸是以幀的形式實現的。幀是用戶控制和尋址信息對用戶數據的封裝，只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。

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：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：表示現場儀表所要執行的功能。
　　BYTE CORNT數據總長度：該值表示的是BYTE CORNT下一個字節到最后(不包括校驗字節) 的字節數。
　　DATA 數據字節。
　　CHK　奇偶校驗：縱向奇偶校驗。

　　在數據鏈路層中的HART協議是一種“主/從”協議。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據。HART協議允許系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。從設備根據兩個主設備不同的地址來向它們分發各自的應答命令消息。

2.3 應用層規范[4]

　　規定了HART消息包中的3類命令，第一類是通用命令，適用于遵守HART協議的所有產品，為符合HART協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協議的大部分產品；第三類是設備特殊命令，適用于遵守HART協議的特殊產品。

3 基于HART協議的智能電磁流量計的硬件設計

　　帶有HART通訊協議的智能電磁流量計的硬件系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模數轉換電路送入到單片機。單片機對這些信號進行數據采集，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HART 協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解調為數字1和0，再將數字信號由HT2012 的ORXD 端口輸出，CPU 對接收到的數據進行判斷并執行相應的任務。

3.2 HT2012 與外部接口

　　HART數字信號規范是峰值為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。