HART协议在钻井泥浆流量计中的实现

点击次数：1802 发布时间：2020-08-12 15:57:52

摘要：现场总线控制系统代表了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向。为构建现场总线型工业测控系统，要求系统中所有仪表都应具有现场总线功能。其中，HART总线技术在电磁流量仪表中应用*为广泛，本文在对HART协议进行详细分析的基础上，重点介绍了系统设计结构以及HART协议在钻井泥浆流量计中的软硬件实现方法，测试结果表明，该设计满足现场实际要求，达到了设计目的。
HART，即Highway Addressable Remote Transduc-er，是可寻址远程传感器高速公路的简称，*早由美国Rosemount公司开发并得到八十多家**仪表公司的支持，其特点是在不干扰4~20mA模拟信号的同时允许双向数字通讯。符合HART协议的钻井泥浆流量计不仅可以实现各种流量的检测和就地显示，还可以通过上位机进行远程设定,改变流量计的零点、量程，以及完成自诊断等功能，在很大程度上方便了流量计的使用和维护，因而具有较强的市场竞争力。本文讨论基于HART协议钻井泥浆流量计具体实现的技术问题，一是要解决硬件电路的设计问题，二是要讨论实现HART协议命令集编程及上位机软件的实现。
1、HART协议简介
HART协议遵循ISO制订的OSI开放式系统互连参考模型，采用了OSI模型的*一层、*二层和*七层，即物理层、数据链路层和应用层。
1.1 物理层规范
HART协议采用美国电话通讯系统Bell202频移键控(FSK)标准，在4~20 mA的模拟0.5mA的正弦波，波特率是1200bps。因为所叠加的正弦信号平均值为0，而且相位连续频移键控技术要求在波特率为1200Hz的数据位1和0的边界的相位角是连续的，所以数字通讯信号不会影响4~20mA的模拟信号。
1.2 数据链路层规范
这一部分协议规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能，HART协议根据冗余检错码信息，通过差错检测机制和采用自动重发请求协议(ARQ)，实现通讯数据无差错传送。与协议相关的实体间的数据传输是以帧的形式实现的。帧是用户控制和寻址信息对用户数据的封装，只有帧中的字节记数结束且经过了差错检验接收正确无误或是物理层通知信号传输终止(如检测不到载波)之后才可以进行帧的识别。HART帧的格式如图1所示。

●PREAMBLE前导信号：实际上是同步信号，各通讯设备可以据此略做调整，保证信息的同步。
●DELIM定界符：一个独特的或是*容易识别的字符，*高位规定帧的寻址信息分为长格式或短格式，低3位定义了帧的类型。
●ADDR地址字节：包含了源地址和目的地址，*高位都用来表示与该帧相关的主设备的地址。“1”表示基本主设备；“0”表示副主设备。
●COM命令字节：表示现场仪表所要执行的功能，范围为255个。
●BYTE CORNT数据总长度：该值表示的是BYTE CORNT下一个字节到*后(不包括校验字节)的字节数。
●DATA数据字节：传送用户数据和响应数据，但不是每个帧中都会包含数据。
●CHK奇偶校验：方式是纵向奇偶校验。
在数据链路层中的HART协议是一种“主/从”协议，即由主设备产生消息，而从设备只在接收到发送给它的消息后才做出应答。在从设备的应答消息中除了已被接收的确认命令，许多消息中还包含了主设备询问的数据。HART协议允许系统中同时有两个主设备运行，一个基本主设备，一个副主设备。从设备根据两个主设备不同的地址来向它们分发各自的应答命令消息。实际上在智能现场设备与中央控制或监测设备的信息往返通讯，根据传输信号的不同，可以分为以下3种通讯模式：模拟模式、模拟+数字模式和广播(全数字)模式。
1.3 应用层规范
HART协议中包含三类命令：*一类为通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品，符合HART协议的设备提供功能描述；*二类为普通操作命令，适用于遵守HART协议的大部分产品，当设备具有某些功能时，该命令用于对这些功能的描述；*三类为设备特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊产品，提供一些特殊的功能描述命令。HART协议对于厂家生产的具有特殊功能的产品还提供了设备描述语言DDL，以确保互操作性。
2、基于HART协议的钻井泥浆流量计的硬件设计
带有HART通讯协议的钻井泥浆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4个部分。由单片机控制的低频励磁电流输出到传感器的励磁线圈中，同时来自电磁流量传感器的微小电势信号经前置放大后通过AD模数转换电路送入到单片机。单片机对这些信号进行数据采集，分析处理送至液晶显示屏进行瞬时流量和累积流量的显示。同时单片机通过计算公式对得到的流量值进行补偿，将补偿后的流量信号通过HART通讯模块实现与上位机的远程通讯。
2.1 HART通讯模块设计
HT2012芯片用来实现HART协议中通讯信号的解调及调制过程。图2为调制解调器与微处理器的连接。

HARTHART信号的解调过程：由带通滤波器输出的脉冲信号进入HT2012后，调制解调器分别将脉冲信号中的1200Hz和2200Hz解调为数字1和0，再将数字信号由HT2012的ORXD端口输出，CPU对接收到的数据进行判断并执行相应的任务。
2.2 HT2012与外部接口
HART数字信号规范是峰值为1mA、平均值为0mA正弦交流电流信号，此信号经线路阻抗转化为正弦交流电压信号，而HT2012输入和输出信号是0~5V的方波信号，因此在HT2012和外部的HART信号之间还需要有滤波电路和整形电路。如图3所示，由TLC27组成的滤波器是带通滤波器，用来减少接收信号的噪声干扰。滤波器还用来消除波形中的尖峰，从而使接收到的信号变得平缓。TLC37组成的数字方波产生回路把经过TLC27滤波后的正弦波转变成相应的方波，以便于HT2012接收。

如图4所示，缓冲器74HC126的作用是使方波的上升沿和下降沿趋于平缓，使信号满足HART物理层规范所要求的信号波形上升沿和下沿的时要求，因为较平缓的上升沿和下降沿时间可以降低与其它网络间的串扰。

HT2012需要外部提供460.8kHz的时钟信号，且要求时钟频率的误差是0.1%，若直接入一个460.8kHz的晶振不仅会引起系统功耗的增加，而且该晶振属于非标准晶振，需专门定制。为了解决这一问题，在系统中采用一片1.8432MHz的晶振以产生时钟信号，再经分频器CD4013进行4分颇，可输出1.8432MHz/4=460.8kHz的分频信号供HT2012使用。AD421其内部的电压调节器与外部的场效应管DN25D对输入到AD421的电压进行调整，可提供+3.3V电压作为其他设备的电源。HART发出的FSK信号，经过一个电容耦合送到AD421中，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，叠加在4~20mA的电流上送给接收设备，实现了HART协议的信息的交换。本电路耦合电容取为0.0033μF，如图5所示。

3、HART通讯协议的软件实现
3.1 钻井泥浆流量计串口中断程序
在HART通信中，钻井泥浆流量计作为从设备进行通讯，所以这里的软件设计只是针对于从设备。HART通信采用水平和垂直校验的方法。当检测到接收数据有差错时，则等到主设备命令帧发完后，通知主设备数据接收有误。主设备则重新发命令帧，从而保证通信的准确可靠。HART中断子程序流程图如图6所示。由于HART通信为主从方式，HART帧中每个字节在物理层传输需要9ms左右，为了保证通讯的实时性，通讯程序采用串行口终端接收/发送。该中断所要完成通信中的主要任务，即接收和发送帧，帧的拆分和打包。

3.2 上位机软件数据采集程序
1)形成读流量计长帧地址命令字：5个FF前导码；起始字符为02(采用短帧格式时，主设备向从设备发送)；地址为00(轮循地址)；命令字是00(读变送器标识命令字节数)；无数据。
2)追加校验和：采用异或逻辑运算求校验和追加在字节数后，形成完整命令。
3)按异步串行通信方式发送命令并接收从设备回答的信息。
4)从回答的信息中提取流量计长帧地址。
5)形成读流量计其他数据命令：5个FF前导码；起始字符为82(采用长帧格式时，主设备向从设备发送)；地址为流量计长帧地址；命令字、字节数和数据略；采用异或逻辑运算求校验和，追加在字节数后，形成完整命令。
6)按异步串行通信方式发送命令并接收仪器回答的信息。
7)从回答的信息中提取流量计数据。以后再读取流量计的数据时，只进行(5)~(7)步即可。流程图见图7所示。