HART協議在多變量渦街流量計中的實現
引言
HART fHighwayAddressableRemoteTransducer)協 議 是 美國 Rosemout公 司于 8O年 代 提 出的一種用于 現場 智 能儀表 和控制 室 設備通 訊 的協議 ，它 具 有兼 容 4—20mA模擬 信 號與 數字 通信 的性質 。符合 HART協議 的智 能流量 計不 僅可 以實現各種 流體 的檢測 與就 地顯示 ，而且 還可 以通 過上 位機進 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 了流量計的維 護 。本文所 研 究的 流量計 是在 現有 渦街流 量計 的基礎 上 ．融入 了溫 度 和壓力 參 數的測 量 ，并將 HART通 訊協議 應 用 其 中 ．設 計 出 集 溫 度 、壓 力 、流 量 測 量 于 一 體 的帶 有HART協議 的 多變 量 流量 計 。經研 究表 明 ，這種 多變量 渦街 流量計 不僅 能夠測 量溫 度 、壓 力和流 量 ，而 且* 符合 HART協 議規范 ，實現 了與上位 機 的遠程 操作 ，因而 具有廣 闊的發展 前景 。
1HART協議簡 介
HART通 訊協 議 是 參 照 國 際標 準 化 組織 (IS0)的 “開 放 性 系統互 連 (osD”模 型標 準并 簡 化 引用 其 中 3層 而 制 定 的 ，即 物 理層 、數據 鏈路 層和 應用 層 。
(1)物 理 層 規 定 了 HART通 信 的物 理 方 式 和 傳 輸 介 質 。HART協議 采用 了美 國 電話 通訊 系 統 Bell202標 準 ，在 4-20mA的模 擬信 號 上 疊加 幅度 為±O．5mA 的正 弦波 ，1200Hz代 表 邏輯 ”
1”．2200Hz代 表邏 輯 …0’。因為所 疊加 的正 弦信號 平均 值為 0，所以數 字通 訊信 號 不會干 擾 4～20mA的模擬 信 號 。
(2)數據 鏈路 層規 定 了數據 幀格 式 ，如 圖 1所 示 。其可 尋址范 圍是 0～15，當地 址為 0時 ，智能 變送器 處 于 4～20mA與數 字通訊兼 容狀 態 ．當地址 為 l～l5時 ，則 處于全 數字通 訊 狀態 ，這 時可聯結 成 多站模 式 ，并通過全 數字通 訊狀況 來尋找對 話的變送 器。馬 永 成 ：碩 士 研 究 生(北京化工大學)馬永成 莫德 舉
Ma，Yongcheng Mo，Deju
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主 設備到從設備 的幀格式
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從設備到主設備的幀格式
圖 1HART協議 的幀 格 式
(3)應用 層規 定 了 HART通 訊命令 的 內容 ，共分 為 3類 。類是通 用命 令 ，適用 于所 有 符合 HART協 議的 產 品，如 讀制造廠 號 、產 品型 號 等 ；第 二類 是 普通 應 用命 令 ，適用 于 大 部分 符 合HART協議 的產 品 ，但不 同公司 的 HART產 品可 能 還略 有 區別 ，如寫主 變量 單位 、微調 D／A 的零點等 。 以上兩 大命令 規 定 了符合 HART通 信 協議 的產 品具有 一定 的互 換性 。第三 類是特 殊命令 ，它是各 公司 自己所 * 的 ，不 互相兼 容 ，如特 征 化 ，傳感 器校正等 。
2基 于 HART協 議 的多變 量 渦街流 量 計
的硬 件設 計帶有 HART通訊 協議 功 能的多 變量 渦街 流量 計 的硬 件系 統結構 如 圖 2所 示 。 電路 采取模 塊化 設 計 ，主 要 包含 了傳 感器 模塊 、MCU模 塊 、HART通 訊模 塊和 顯示模 塊 四個 部分 。放 波卜
首先 ．由傳 感 器模 塊測 得 的頻 率 信 號經 放 大 、濾 波 、整 形 后送入 單片機 進行 線形 化處 理 、量程 轉換 、累計流 量計 算和 單位 轉換等 。而 獲得 的溫 度 和壓 力信 號送 入 A．，D轉 換器 中 ，通 過模 數轉換 進入 單片 機 中 。一方 面 經過 MCU處 理直 接送 入顯 示模塊 進行顯 示 ：另 一方面 通過 計算 公式對 得 到的流 量值 進行 溫壓 補償 。然 后 ．經過 溫壓 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。
2．1HART通訊 模塊 設計
HART通 訊模 塊部 分 主要 由 D／A轉 換器 和 Bel202MODEM及其 附屬 電路來 實現 ，部分 電路 連接 如 HART通訊 模塊 電路 圖略。其 中，D／A轉 換器 的作 用是 直接將 主 要變量 的數 字信 號轉 換成 4—20mA 電流 輸 出 ．Bell202MODEM及 其 附屬 電 路 的作 用 是對疊 加在 4-20mA環 路上 的信 號進 行 帶通 濾波 放 大后 ，對 獲得的信 號進 行調 制或解 調 。
D／A轉換 器采用 AD421．它是 美 國 ADI公司推 出的 一種單片 高性 能數 模轉 換器 ，由環 路供 電，16位數 字信 號 以串行 方 式輸 入 ，可 以將 數 字信 號直接 轉換 成 4—20mA 電流 輸 出 。它 提供 了高精度 、全 集成 、低 功 耗 的解 決 方 案 ，采 用 16引腳 DIP、TSSOP、IF) ／ 、 中國自控網：http：／／www．autocontro1．cn目自控霸郵局訂閱號 ：82—946 120元 ，年 一13—維普資訊 中文核心期刊 《微計算機信息》(測控自動化)2005年第 21卷第 1期
SOIC封裝 ，可 實現低 成 本 的遠 程 智 能工 業控 制 。AD421除了 能
進 行 串行 16位 D／A轉 換 外 ，還 提 供 可 選 擇 的 (5V、3．3V 或 3v)
穩壓輸出以供電路其它部分的用電
HARTMODEM 采 用 Smar公 司 的 HT2012．它 是 符 合 Bell
202通 訊標準 的半雙 工 調 制解調 器 ．實現 HART協議 規 定 的數字通 訊 的編碼 和譯 碼 ，采用 16腳 DIP和 28腳 PLCC封裝 。附屬 電路主要實現信號的濾波整形，由帶通濾波器和方波整 形 電路 組成 (見 圖 3和 圖 4)。其 中 ，方 波整 形 電路將 HT2012輸 出 的電壓信 號 整形 為方波 。產 生數字 電路所要 求 的陡峭 的上升 沿和 下 降沿 ．然后 通過 電容 耦合 到 AD421的 C3端 口。帶 通濾波 器 由兩片低 功耗 運算 放大 器及 電阻 、電容組 成 ，其通 帶頻 率大約為 950-2550Hz 它將 4-20mA環 路上±0．5mAHART電流信 號轉換成 電壓信號，經過 HT2012解調 ，再送入單片機 串行通訊接口中．從而 完成 數據 接 收任 務 。
由于 本 流量 計 采 用 電源 線和 信 號線 復 用 的兩 線 制方 式 ，其電路 消耗 的 電流 加 上 0．5mA的 HART正弦 調 制 波信 號 電 流不得 超 過 4mA 的回 路 電流 ，即系 統 功 耗 必須 小 于 3．5mA，所 以硬件 設 計必須 符 合低 功耗 條 件 ，這 也是 HART通 訊模 塊 設計 的關鍵 和最 大難 點 。以往 國內有采 用 軟件 降低功 耗 的做法 ，但 此舉 降低 了單 片機 運算 和 處理數 據 的能力 ，而且 可能 會在 某些情 況 下無法 兼 顧 HART通 訊 、準 確 定 時和 低 功 耗 三個 方 面 ，所 以在 這里 ．筆者 采用 了純硬 件 的方法 來 降低 功耗 。
經 過 多 方 面 選 擇 和 比較 ，最 終 所 選 用 的 A／D、D／A、EEP-ROM、液 晶顯 示 器件 以及 頻 率信 號 放 大 電路這 幾 部 分 的 電流 之和 不 超 過 2．2mA MCU 部 分 選 用 了 以低 功 耗 為 特 征 的 MI-CROCHIP 公 司 的 PIC16F877芯 片 ，它在 1．8432MHz下工 作 電流小于 0．8mA 壓 力和溫 度測 量 電路 部分 則采 用 了 0．5mA 的恒流源 串聯 供 電 。這 樣 整 個 系 統 的 電流 不 超 過 3．5mA，完 全 符 合HART協議 的要 求 ．可 在此 基礎 上 疊加 HART信 號 ，保證 總 電流不 會超 過 4mA。
由于 HT2012芯 片 需 要 外部 提 供 460．8kHz的時 鐘信 號 ，且要求 其偏 差在 ±0．1％的 范 圍內 ，故 必須 使 用振 蕩 頻率 穩 定 的晶振 但 是 ．晶振 的 功耗較 大 ，加入 一 片 460．8kHz的晶振 后 ，系統的 功 耗 電 流 明 顯 增 加 ，超 出 了 HART 協 議 的 要 求 ，而 且460．8kHz的晶振 并非 標準 晶振 ，需 要專 門定 制 。
為避 免專 門定 制 晶振和 使用 功耗 較大 的 晶振 電路 ，這 里利用 通用數 字 集成 電路 74系列搭 建 一個 串聯諧 振式 振蕩 器 ，以產生 1．8432MHz的頻率 信 號。再利 用 分頻 器對 其 四分 頻 ，從 而 獲得 一個 460．8kHz的 時鐘信 號送 給 HT2012。經 實驗 表 明 ，該信 號完 全符 合 HT2012的 時鐘信 號 要 求 ，而 且 在 不增 加 芯 片 的基礎上保證 了較低 的功耗。
3HART通 訊協 議的 軟件設 計
HART通 訊軟 件亦 即 HART協議 數據 鏈 路層 和應 用 層 的軟件 實現 ，是 HART多 變量 渦街 流量 計 的設計 重點HART協議 通過 MCU的 串行 口采用 主 從方式 進 行通 訊 流量計 在上 位 機詢 問時發 出應 答信 號 ，通 過 HT2012實 現 數據 的接 收和發 送 。先 由上 位機 發送 命令 幀格 式 ．渦街 流量 計 由 串行 口中斷接 收 到命 令 幀后 ，由 MCU作相 應 的數 據 處理 ．然 后將 處 理過 的數 據整 理后 作 為應 答 幀 的內 容放 入發 送 緩沖 區 ．再 由 MCU觸 發發 送 中斷 ，發 出應答 幀 ，從而 完成 一 次命令 的交 換 。接 收數據 時 ．若 該流量 計檢 測到 數據 有錯 ．則等到 上位 機命 令幀 發送 完以后 ．它 發出置 有相 應錯 誤狀 態位 的應 答幀 ，告知上 位機 數 據接收有誤 ，上位 機 接 收該 應 答幀 后 ，則重 發命 令 幀 ，從而 保 證通 訊的準確 無誤 基 本 的串行 中斷程 序框 圖如 圖 5所 示 。圖 5 串行 中斷程 序框 圖
4結束語
研究表明，這種多變量渦街流量計不僅具有普通儀表的量程 、零 點 、單位 轉換 等 功能 ，而且 * 符合 HART協 議 的要求 ，可與上位 機進 行遠 程操 作 ，由上 位機 遠程 讀取 瞬時 流量 、累 積流量等 參 數 ，或對 量程 、零 點 、單位 等進 行設 置 ，便于 實時 監控 。同時 ，由于 引入 了溫度 、壓 力信 號 的多變 量測 量 ，渦街 流量 計 的測量 精度大 為提 高 。因此 ，這種 帶有 HART協議 的多變量 渦街 流量 計在 國 內具 有 良好 的發展前景 。
