基于HART协议的智能电磁流量计协议

HD-LDE电磁流量计

一、前言

符合HART协议的智能电磁流量计不仅可以实现各种流量的检测和本地显示，还可以通过上位仪表进行远程设置，改变流量计的零位范围，完成自检等功能-诊断。使用和维护更方便。

二、HART 协议简介

HART协议遵循ISO制定的OSI开放系统互连参考模型，采用OSI模型的第一、二、七层，即物理层、数据链路层和应用层。

1.物理层规范

HART协议采用美国电话通信系统的Bell202频移键控（FSK）标准，在4~20mA时模拟±0.5mA的正弦波，波特率为1200bps。由于叠加的正弦信号的平均值为0，而且相位连续频移键控技术要求波特率为1200Hz的数据位1和0边界处的相位角是连续的，所以数字通信信号不会影响4~20mA模拟信号。

2.数据链路层规范

这部分协议规定了HART帧的格式，实现了建立、维护和数据链路通信功能。HART协议根据冗余检错码信息采用检错机制和自动重发请求协议（ARQ）来实现通信数据。错误传输协议相关的数据传输是在帧中实现的。帧是用户控制和寻址信息对用户数据的封装。只能在帧中的字节计数完成并且错误检查后接收正确或物理层通知信号的传输终止（例如，无法检测到载波）后进行。执行帧识别。

数据链路层中的 HART 协议是“主/从”协议。除了从设备的响应报文中已经收到的确认命令外，很多报文中还包含了主设备查询的数据。HART 协议允许两个主设备在系统中同时运行，一个基本主设备和一个子主设备。从设备根据不同的地址将各自的回复命令消息分发给两个主设备。

3.应用层规范

它在 HART 消息包中指定了 3 种类型的命令。* 类型为通用命令，适用于所有符合 HART 协议的产品，为符合 HART 协议的设备提供功能描述。大部分产品；第三类是设备特殊指令，适用于符合HART协议的特殊产品。

三、基于HART协议的智能电磁流量计通讯模块设计

采用HART通讯协议的智能电磁流量计的硬件系统电路采用模块化设计，主要包括传感器模块、MCU模块、HART通讯模块和人机界面模块四部分。

由单片机控制的低频励磁电流输出到传感器的励磁线圈，来自电磁流量传感器的微小电位信号经过前置放大后通过AD模拟量送到单片机数字转换电路。单片机从这些信号中采集数据，分析处理后，送入液晶显示器，显示瞬时流量和累计流量。同时单片机通过计算公式对得到的流量值进行补偿，通过HART通讯模块实现与上位机的远程通讯。本文仅介绍HART通讯模块设计：

该芯片用于实现HART协议中通信信号的解调和调制过程。HART信号的解调过程：带通滤波器输出的脉冲信号进入HT2012后，调制解调器将脉冲信号中的1200Hz和2200Hz分别解调为数字1和0，然后从ORXD输出数字信号HT2012的端口。处理器（CPU）对接收到的数据进行判断并执行相应的任务。

HART数字信号规范是一个正弦交流电流信号，峰值为1mA，平均值为OmA。该信号通过线路阻抗转换为正弦交流电压信号。HT2012的输入输出信号为0~5V的方波信号。因此，HT2012与外接的A滤波电路和HART信号之间也需要一个整形电路。

TLC27组成的滤波器为带通滤波器，用于降低接收信号的噪声干扰。滤波器还用于通过消除波形中的尖峰来平滑接收到的信号。由TLC37组成的数字方波发生电路将TLC27滤波后的正弦波转换成相应的方波，这样HT2012接收缓冲器74HC126的作用就是使方波的上升沿和下降沿平滑两个模拟信号如何同时输入到单片机，使信号符合 HART 要求。需要物理层规范要求的信号波形的上升沿和下降沿的时序，因为更平滑的上升沿和下降沿时间可以减少与其他网络的串扰。HT2012需要对外提供460.8kHz的时钟信号，时钟频率误差要求±0.1%。如果直接输入460.8kHz晶振，不仅会导致系统功耗增加，而且晶振是非标准晶振，需要专门定制。为了解决这个问题，系统采用了一个1.8432MHz晶振产生时钟信号，然后通过分频器CD4013进行4分频输出1.8432MHz/4=46 0.HT2012使用@>8kHz的分频信号。

AD421的内部稳压器和外部FET DN25D调节输入到AD421的电压，可以提供+3.3V电压作为其他器件的电源。HART发送的FSK信号通过电容耦合送到AD421，转换成相应的±0.5mA正弦电流信号，实现电压信号到电流信号的转换。同时叠加4~20mA电流发送到接收设备，实现HART协议的信息交换。本电路的耦合电容取为0.0033uF。

四、HART通讯协议的软件实现

1.智能电磁流量计串口中断程序

在串口中断服务程序中，首先保护场景，然后判断是接收中断还是发送中断，如果是接收中断，则执行接收服务子程序两个模拟信号如何同时输入到单片机，否则执行发送服务子程序。中断处理结束后，恢复场景，返回系统主程序。HART通讯采用水平和垂直检查的方法。当检测到接收到的数据有错误时，会等到主设备发送完命令帧后，通知主设备数据接收有错误。主设备重新发送命令帧以保证通信的准确性和可靠性。在响应命令帧之前，必须先拆分帧，即，首先判断帧的preamble是否正确，每收到一个preamble，counter加1，然后接收Delimiter，如果是有效delimiter且preamble counter大于1，则为HART 帧的起始位置，根据分隔符确定 HART 帧的类型。如果是响应帧或组模式帧，则终止接收服务。,等待载波连接：如果是请求帧，确定帧格式，设置接收长帧格式或短帧格式的地址计数值，短帧格式的地址接收1字节，长帧格式的地址接收 5 个字节。然后接收命令号，数据字节长度字节，如果数据字节长度字节出现奇偶校验错误，停止接收服务，等待承运人结束；否则，设置数据字节长度计数器，每次接收到一个数据字节，长度计数器减1，最后接收平面校验和。如果接收请求地址匹配，则将接收到的HART帧与水平校验和进行异或，并与接收到的水平校验和进行比较，如果相同，则表示没有通信错误；否则，将水平校验和错误标志置1，结束接收服务，并转入HART命令执行子程序。并将其与接收到的水平校验和进行比较，如果相同，则表示没有通信错误；否则，将水平校验和错误标志置1，结束接收服务，并转入HART命令执行子程序。并将其与接收到的水平校验和进行比较，如果相同，则表示没有通信错误；否则，将水平校验和错误标志置1，结束接收服务，并转入HART命令执行子程序。

五、结论

研制的智能电磁流量计实验表明，该流量计集成度高、功能强、操作方便、性能可靠；具有自诊断、自校准和HART数据通讯功能；它可以测量正向和负向的流量。可测量脉动流量；具有良好的抗电磁干扰和温度性能，适合现场测量和显示；测量范围大，精度高。返回搜狐，查看更多