[導(dǎo)讀] 論述了HART協(xié)議及其在現(xiàn)場儀表中的應(yīng)用，介紹了手操器的發(fā)展及工作原理，描述了所設(shè)計(jì)的基于HART協(xié)議的電磁流量計(jì)手操器的硬件結(jié)構(gòu)、原理及軟件功能，并在實(shí)踐中得到了成功的應(yīng)用。
電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律測量導(dǎo)電流體的體積流量的儀表。由于安裝位置的限制，在調(diào)試時(shí)采用手操器讀取儀表內(nèi)各參數(shù)以判斷運(yùn)行情況就成了電磁流量計(jì)應(yīng)用的一大趨勢。
現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)前自動(dòng)檢測技術(shù)及過程控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，通過現(xiàn)場總線，數(shù)字通信技術(shù)正在給現(xiàn)場儀表及過程控制系統(tǒng)帶來巨大變革。但目前基于4~20mA的模擬設(shè)備還廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化還不現(xiàn)實(shí)。為實(shí)現(xiàn)從模擬到全數(shù)字的過渡，美國Rosemount公司于1985年推出了一種用于現(xiàn)場智能儀表與控制設(shè)備之間的通信協(xié)議- HART協(xié)議。HART協(xié)議兼容模擬電流信號(hào)及數(shù)字通信信號(hào)，既可進(jìn)行模擬信號(hào)傳輸，又能進(jìn)行數(shù)字通信。作為一個(gè)開放性協(xié)議，經(jīng)過十年多的發(fā)展，HART協(xié)議已廣泛為智能儀表領(lǐng)域所接受。
HART通信最廣泛的應(yīng)用是現(xiàn)場智能儀表與手持終端之間的通信。但手持終端并不適用于操作人員做常規(guī)監(jiān)控，也不能實(shí)現(xiàn)用戶自編程序的自動(dòng)控制過程，本文針對這種情況設(shè)計(jì)了一種操作方便、能滿足用戶特殊要求、符合HART通信標(biāo)準(zhǔn)的電磁流量計(jì)手操器，并在現(xiàn)場測試中得到了實(shí)現(xiàn)。
HART協(xié)議采用在4~20mA模擬信號(hào)上疊加音頻數(shù)字信號(hào)的方法進(jìn)行雙向數(shù)字通信，不會(huì)影響傳送的系統(tǒng)模擬信號(hào)大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。HART協(xié)議遵循ISO制訂的OSI開放式系統(tǒng)互連參考模型中的第一層、第二層、第七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層（見圖1）。
物理層規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法和傳輸媒質(zhì)。HART通信傳輸基于Bell 202通信標(biāo)準(zhǔn)，采用頻移鍵控- FSK方法，傳遞波特率設(shè)定為1200bps，數(shù)字信號(hào)“0”和“1”分別用“2200Hz”和“1200Hz”的正弦波表示，這些頻率疊加在模擬信號(hào)上傳遞。由于FSK信號(hào)平均值為0，不影響模擬信號(hào)傳輸，傳輸介質(zhì)通常采用雙絞電纜線，最大傳輸距離為1500m（見圖2）。
數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了HART幀的格式，實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通信功能。HART協(xié)議采用自動(dòng)重復(fù)請求發(fā)送機(jī)制，根據(jù)冗余糾錯(cuò)碼信息實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的無差錯(cuò)傳遞。
HART協(xié)議采用2~20個(gè)“FF”作為給接收設(shè)備的同步信息，所有主設(shè)備、從設(shè)備發(fā)送的幀均以一定數(shù)目的“FF”字節(jié)開頭，這些信號(hào)在物理層的協(xié)議實(shí)現(xiàn)中用于對調(diào)制解調(diào)電路系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)同步。通常HART協(xié)議按主從方式通信，通信由主設(shè)備發(fā)起，從設(shè)備先聽后答。在點(diǎn)到點(diǎn)的通信中，電磁流量計(jì)手操器即為主，電磁流量計(jì)即為從。HART幀以8位（1字節(jié)）進(jìn)行編碼，對每字節(jié)加上起始位、奇偶校驗(yàn)位及1位停止位共11位傳遞，保證了每個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐健?/div>
2 手操器的硬件設(shè)計(jì)
2.1 基于HART協(xié)議的硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)
① 手操器的軟硬件設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循HART協(xié)議的技術(shù)規(guī)范，應(yīng)用該手操器可以與其他符合HART協(xié)議的設(shè)備進(jìn)行數(shù)字通信，具備良好的兼容性。
② 模擬所有運(yùn)算均采用精度極高的IEEE754格式的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，精度可達(dá)0.1%。
2.2 硬件電路原理圖設(shè)計(jì)
2.2.1 CPU
根據(jù)HART手操器的設(shè)計(jì)要求，選擇了MCS-51系列中的89C51單片機(jī)作為微處理器，內(nèi)含128字節(jié)RAM、4個(gè)8位并行I/O口、1個(gè)全雙工的串行I/O、2個(gè)16位字時(shí)器和兩級優(yōu)先權(quán)的5個(gè)中斷源。
89C51指令系統(tǒng)含大量算數(shù)運(yùn)算、邏輯判斷、轉(zhuǎn)移及位操作指令，非常適合本設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)系統(tǒng)程序的大小，本設(shè)計(jì)采用EPROM27256作為手操器的程序存儲(chǔ)器，程序空間32k。HART手操器原理圖如圖3所示。
2.2.2 HART調(diào)制解調(diào)器A5191HRT
A5191HRT是專為實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議而設(shè)計(jì)的低功耗調(diào)制解調(diào)器，它幾乎包含所有在4~20mA模擬現(xiàn)場儀表上疊加HART協(xié)議所需的電路，只需外接少量元件即可構(gòu)成HART協(xié)議的完整應(yīng)用。它共有時(shí)鐘模塊、調(diào)制器模塊、解調(diào)器模塊和載波檢測模塊等4個(gè)功能模塊。
① 調(diào)制
當(dāng)INRTS引腳為低電平時(shí)，調(diào)制器工作，解調(diào)器關(guān)閉，芯片接收CPU 送到ITXD 引腳的不歸零碼（NRZ）數(shù)字信號(hào)并調(diào)制成FSK信號(hào)后由OTXA引腳輸出。ITXD為低電平時(shí)，OTXA輸出2200Hz信號(hào)；ITXD為高電平時(shí)，OTXA輸出1200Hz信號(hào)。發(fā)送信號(hào)波特率為1200bps。應(yīng)用線路圖如圖4所示。
② 解調(diào)
當(dāng)INRTS引腳為高電平時(shí)，解調(diào)器工作，調(diào)制器關(guān)閉。接收到的信號(hào)需經(jīng)過一個(gè)帶通濾波器，這個(gè)濾波器部分集成在芯片內(nèi)，部分外接。A5191HRT需要IAREF和ICDREF兩個(gè)參考電壓源：IAREF為芯片內(nèi)部的放大器和比較器提供電壓基準(zhǔn)，正常為1.235V；ICDREF 用于載波檢測，應(yīng)比IAREF 低0.08V，見圖5。
③ 載波檢測
當(dāng)IRXAC的電壓小于ICDREF時(shí)，比較器的CDCMP輸出邏輯電平并被引入一個(gè)載波檢測模塊。當(dāng)INRTS為高且有4個(gè)連續(xù)脈沖到達(dá)時(shí)，OCD腳置高，下一個(gè)有效脈沖必須在2.5ms內(nèi)被接收才能使OCD保持高電平。載波檢測用于對HART幀信號(hào)同步信號(hào)的檢測。
④ 時(shí)鐘芯片正常工作需要460.8KHz的時(shí)鐘信號(hào)，由引腳OXTL和IXTL間連接1個(gè)晶體諧振器實(shí)現(xiàn)。
3 系統(tǒng)的軟件模塊設(shè)計(jì)
在點(diǎn)-點(diǎn)HART協(xié)議電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)中采用的是主從結(jié)構(gòu)，主機(jī)即為手操器，從機(jī)即為電磁流量計(jì)。從機(jī)的主程序流程圖如圖6所示。
根據(jù)流量變送器的程序流程，從機(jī)的A5191HRT初始化應(yīng)設(shè)定為解調(diào)接收狀態(tài)，相應(yīng)主機(jī)即手操器的A5191HRT初始化應(yīng)設(shè)定為調(diào)制發(fā)送狀態(tài)。
HART的數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀格式和數(shù)據(jù)通信規(guī)程，其通信是按字節(jié)接收和發(fā)送的，格式如下：
規(guī)定在發(fā)送一個(gè)通信幀時(shí)，每兩個(gè)字符之間的發(fā)送間隔GAP不能大于一個(gè)發(fā)送字節(jié)幀的時(shí)間9.167ms（1200s×11）
數(shù)據(jù)幀由若干字節(jié)組成，HART幀分為長幀和短幀兩種，但均遵循如下格式：
序文由兩個(gè)或兩個(gè)以上的“FF”組成，主要用于MODEM接收時(shí)的幀同步；起始字符一個(gè)字節(jié)，包括源地址和目的地址；命令號(hào)一個(gè)字節(jié)，代表HART的命令序號(hào)；檢驗(yàn)碼一個(gè)字節(jié)用于校驗(yàn)接收數(shù)據(jù)的正確性。
電磁流量計(jì)手操器主程序流程如圖7所示，中斷程序流程如圖8所示。
電磁流量計(jì)的HART協(xié)議手操器中設(shè)置了4個(gè)參數(shù)顯示屏幕：累積流量、瞬時(shí)流量、密度、儀表零點(diǎn)等4個(gè)主變量為一屏；阻尼時(shí)間、最大流量、小信號(hào)切除、儀表號(hào)為第二屏參數(shù)；非線性修正參數(shù)占據(jù)了第三、四屏。
4 結(jié)束語
基于HART協(xié)議的儀表與傳統(tǒng)4~20mA標(biāo)準(zhǔn)的儀表具有兼容性，有著廣泛的應(yīng)用空間。手操器正是與之相配套的產(chǎn)品，具有操作靈活、使用簡單的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)在大港油田的現(xiàn)場調(diào)試獲得成功。實(shí)踐證明，本電磁流量計(jì)手操器的設(shè)計(jì)較好地滿足了電磁流量計(jì)現(xiàn)場調(diào)試的要求，其功能滿足了客戶的需要。