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电磁式流量计HART协议应用说明

时间:2021-05-19 01:03:37
电磁式流量计HART协议应用说明
 
第一节前言
满足HART协议的智能电磁流量计,不仅能对各种流量进行检测和现场显示,还能通过上位机远程设置,改变流量计零点范围,完成自诊断,使用维护更加方便。
HART协议的引入;
该协议遵循ISO建立的OSI开放系统互连参考模型,采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层*层、第二层和第七层。
一、物理层的说明。
该HART协议采用美国BelI202频移键控(FSK)标准,模拟正弦波4~20毫安,波特率1200bps,正弦信号平均叠加值0。连续相移键控技术要求波特率为1200Hz的数据比特1和0的边界相位角是连续的,所以数字通信信号对4~20mA的模拟信号没有影响。
2.数据链接层的说明。
该协议采用HART框架的形式,实现了数据链路的建立、维护和通信功能。该协议利用冗余的错误码信息,采用错误检测机制和自动重复请求协议ARQ来实现通信数据的无错传输。
数据传输中的协议相关部分采用框架形式。该框架将用户控制和地址信息封装为用户数据。帧字节记录完成后,通过错误检查或物理层通知信号传输完成后,可正确接收帧。
HART协议在数据链路层以从协议为主。除接收的确认命令外,许多来自设备的响应信息还包括主设备查询的数据。该HART协议允许系统中的两个主设备同时运行一个辅助主设备。根据两个主设备的地址从设备分发自己的响应命令信息。
三、应用层说明。
在HART包中有三个命令。类*是一种通用命令,适用于所有HART协议兼容的产品,它为HART协议兼容的设备提供功能描述。通用操作命令适用于大部分符合HART协议的产品,而专用设备命令适用于大部分符合HART协议的特殊产品。
基于HART协议的电磁流量计智能通信模块设计。
基于HART通信协议的电磁流量计智能控制系统硬件电路采用模块化设计,主要由传感器、单片机、HART通信和人机接口等模块组成。
通过AD模数转换电路,将由单片机控制的低频激励电流输出到传感器的激励线,由电磁流量传感器通过预放大后的微电信号进入单片机。MCU采集这些信号,分析后发送给LCD,显示瞬间流量和累积流量。通过计算公式对得到的流量值进行补偿,通过HART通信模块实现补偿后的流量信号与上位机的远程通信。文中只介绍了HART通讯模块的设计。
利用HT2012芯片,实现了HART协议中通信信号的调校和HART信号的调校过程:带滤波器输出的脉冲信号进入HT2012后,分别将1200Hz和2200Hz的脉冲信号调校到了ORXD口,输出的数字为1和0。
采用峰值1mA,均值0mA作为HART数字信号的标准,将线路阻抗转换为正弦电压信号。由于HT2012的输入输出信号是0~5V方波信号,所以在HT2012与外部HART信号之间需要设置滤波和整形电路。
采用TLC27构成的滤波器具有滤波器,以降低接收信号的噪声干扰。滤波器也用来消除波形中的脉冲,从而减少接收信号。采用TLC37构成数字方波发生电路,将TLC27经滤波后的正弦波转换为相应的方波,使HT2012接收更加方便。
缓冲74HC126的作用是使信号能达到HART物理层规范所要求的信号波形升降沿的平滑升降沿,平滑升降沿的时间可减小与其他网络串联的电阻,从而达到平滑升降沿的作用。
对于HT2012,需要有460.8kHz的外部时钟信号,时钟频率误差为0.1%。而460.8kHz的直接晶振不仅会增加系统功耗,而且晶振是对是错,需要特别定制。为解决这一问题,系统采用1.8432MHz晶体振动来产生时钟信号,利用HT2012实现了1.8432MHz/4=460.8kHz的分频信号通过分频器CD40134分钟输出。
通过AD421的内部稳压器和外场效应晶体管DN25D调节AD421的输入电压,AD421可为FSK信号提供+3.3V的电压作为其他设备的电源HART发送的FSK信号,通过电容耦合传输到AD421,并转换为相应的0.5毫安正弦电流信号。从电压信号到电流信号的回路耦合电容为0.0033uF。
HART通讯协议的软件实现。
智能电磁流量计的串行中断处理程序
串行中断服务程序中,首先保护现场,判断是接收中断还是发送中断,执行接收中断的子程序,否则执行发送服务的子程序。在解决结束后,恢复站点,返回系统主程序。采用水平和垂直验证方法进行HART通信。在发出指令帧后,当检测到接收到的数据有错误时,主设备将通知它接收错误数据。为确保通信正确,主设备重新发布了命令帧。
必须先分割该帧,然后才能响应命令。先判断帧前导频码是否正确,每次计数时,加1接收帧前导频码,接收定义码。在有效定义码且前导频码计数器大于1的情况下,HART帧的开始位置,HART帧类型由定义码决定。若为应答帧或组合模式帧,接收服务将终止,等待运营商结束。在需要帧时,确定帧的格式,设置计数器的值,以接收长帧格式或短帧格式地址,短帧格式格式地址为一个字节,长帧格式地址为五个字节。接收命令号,数据字节长长字节,当数据字节长字节发生奇偶校验错误时,停止接收服务,等待载波节点;否则,设置数据字节长度计数器,在每次接收到数据字节时,长度计数器减1,*,然后再接受电平校验和。若收到请求的地址一致,则请求收到的HART帧是不同的或经过水平检查的,这意味着与接收水平检查相比没有通信错误。不然,就把级别检查和错误标志设为1,结束接收服务,进入HART命令来执行子程序。
第五,结论。
研制成功的智能化电磁流量计,集成度高,功能强,操作简便,性能可靠。具备自诊断,自验证,HART数据通讯功能。该系统可同时测量正、负两个方向的流量和脉动流量。EMI、温度特性好,适合于现场测量、显示;


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