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HART协议在钻井泥浆流量计中的实现
点击次数:1816 发(fā)布时间:2020-08-12 15:57:52
摘要(yào):现场总线控制系统代表了工业控制系(xì)统向分散化(huà)、网络化、智能化发展的(de)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(jì)满足现场实际要求,达到了设计目的。
HART,即Highway Addressable Remote Transduc-er,是(shì)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(yǔn)许双向数字通讯。符合(hé)HART协议的钻井泥浆流量计不仅可以实现各种流量的检(jiǎn)测(cè)和就地(dì)显示,还可以通过上位机(jī)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(hé)维护,因而具有较(jiào)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(tí),二是要(yào)讨论实现(xiàn)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(kāi)放式系统互连参考模型,采用了OSI模型的*一层、*二(èr)层和*七层,即物理层(céng)、数据链路层和应用层。
1.1 物理(lǐ)层规范
HART协议采用美国电话(huà)通讯系统Bell202频移键控(FSK)标(biāo)准,在4~20 mA的模拟0.5mA的正弦波,波(bō)特率是1200bps。因(yīn)为所(suǒ)叠加(jiā)的正弦信(xìn)号平均值为0,而且(qiě)相位连续频移键控(kòng)技术要求(qiú)在(zài)波特率为1200Hz的数据位1和0的边界的(de)相位角是连续的,所以数字通讯信号不会影响4~20mA的模拟(nǐ)信号。
1.2 数据链路层规范
这一部分协议规定(dìng)了HART帧的格式,实现建立、维护、终结(jié)链路通讯功能,HART协(xié)议根据冗余检(jiǎn)错码信息,通过差错检测机制和采用(yòng)自动重发请求协议(yì)(ARQ),实现通(tōng)讯数据(jù)无差(chà)错传送。与协议相关的实体间的数据传输是以帧(zhēn)的形(xíng)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(zhēn)中的字节记数结束(shù)且(qiě)经过了差(chà)错检(jiǎn)验接收正确无误或是物(wù)理层通知信号传输终(zhōng)止(如检测不到载波)之后才可以(yǐ)进行帧的(de)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(yǐ)据(jù)此略做调整,保证信息的同步。
●DELIM定(dìng)界符:一个独特的或是*容易识别的字符,*高位规定帧的寻(xún)址信(xìn)息分为长格式或短格(gé)式,低(dī)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(shè)备的地址。“1”表示基(jī)本主设备;“0”表示副主设备(bèi)。
●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(zǒng)长度:该值表示的是BYTE CORNT下一个字(zì)节到*后(不(bú)包括校验字节)的字节数。
●DATA数据字节:传送(sòng)用户数据(jù)和(hé)响(xiǎng)应(yīng)数据,但不是每个帧中都会包含数据。
●CHK奇偶校验(yàn):方式(shì)是纵向奇偶校验。
在(zài)数据(jù)链路层中的HART协议是一种“主/从”协(xié)议(yì),即由主设备产生消息,而从设备(bèi)只在接(jiē)收到发送给它的消(xiāo)息后才做出应答。在从设备的应答消息(xī)中除了已被接收的确认(rèn)命令,许多消息中还包含(hán)了(le)主设备询问的数据。HART协议(yì)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(fù)主设备。从(cóng)设备根据两个主设备不同的地址来向它们分发各(gè)自的应答命令消息。实(shí)际上在智能现场设(shè)备与中央控制或(huò)监测设(shè)备的信(xìn)息往返通讯,根据传输信号(hào)的不同,可以分为以下3种通讯模(mó)式:模(mó)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(zhōng)包含三类命(mìng)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(de)设备提供功能描述;*二类为普通操作命令,适用于遵守(shǒu)HART协议的大部分产品,当设备具(jù)有某些功能时,该命令用于对这些功能的描述;*三类为(wéi)设备特殊命令,适用于遵守HART协(xié)议的(de)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(chǎn)的具有特殊(shū)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(de)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(jiàn)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(dān)片机控制的低频励磁电流输出到传(chuán)感(gǎn)器的励磁线圈中,同(tóng)时来自电磁流量传感(gǎn)器的微小电势信号经前置放大后通过AD模数转换电(diàn)路送入到单片机。单片机对这些信(xìn)号进行数据采集,分析处理送(sòng)至(zhì)液晶显示(shì)屏进行瞬(shùn)时流量和累积流量的显(xiǎn)示。同时单片机通(tōng)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(shí)现与上(shàng)位机的远程通讯。
2.1 HART通讯模块设(shè)计
HT2012芯片用来(lái)实现HART协议中通讯信号的解(jiě)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(guò)程:由带通滤波器输出的脉(mò)冲信号(hào)进入HT2012后(hòu),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(yóu)HT2012的ORXD端口输出,CPU对接收到的数据进行判断并(bìng)执行相应的任务。
2.2 HT2012与外部接口
HART数(shù)字信号规范是峰值为1mA、平均值为0mA正弦交流电流信号(hào),此信号经线路阻抗转化为正(zhèng)弦交流电压信号,而HT2012输入和输出信号是(shì)0~5V的方波信号(hào),因此在HT2012和外部的HART信号之间(jiān)还需要(yào)有(yǒu)滤波电路和整形电路。如图3所(suǒ)示,由TLC27组成的滤波器是带通滤波器(qì),用来减少接收信号的噪声干扰。滤波器还(hái)用来消除波形(xíng)中的尖峰,从而使接收到的信号变得平缓。TLC37组成的(de)数字方波产生回路把经过TLC27滤波(bō)后的正弦波转(zhuǎn)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(shàng)升沿和下降沿趋于平缓(huǎn),使信号满足HART物理层规范(fàn)所要求的信号波形上升沿(yán)和下沿的(de)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(luò)间的串扰。

HT2012需要外部提供460.8kHz的(de)时钟信号,且要求时钟频率的误差是0.1%,若直(zhí)接入一个460.8kHz的晶振不仅会(huì)引起系统功耗的增加,而且该晶振属于非(fēi)标准晶振,需专门定制。为了(le)解决(jué)这一(yī)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(fèn)频器CD4013进行(háng)4分颇,可(kě)输出1.8432MHz/4=460.8kHz的分频信号供HT2012使用。AD421其(qí)内(nèi)部的(de)电压调节器与外部(bù)的场效应(yīng)管(guǎn)DN25D对输(shū)入到AD421的电压进行调整,可提供(gòng)+3.3V电压(yā)作为其他设备的(de)电源(yuán)。HART发出的FSK信号,经过一个电容耦合送到AD421中(zhōng),转换成相应的0.5mA正弦电流信号,实现电压信号到电流信(xìn)号的(de)转换,同时,叠(dié)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(huàn)。本电路耦合电容取(qǔ)为0.0033μF,如图5所示。

3、HART通讯(xùn)协议的软件实(shí)现
3.1 钻井泥浆流量计串口中断程序
在HART通(tōng)信中,钻井泥浆流量(liàng)计作为从设(shè)备进行(háng)通讯,所以这里的(de)软件设计只是针对(duì)于从设备。HART通信采用水平和垂直校验的方法(fǎ)。当检测到接收数据有差错时,则等到主设备命令帧(zhēn)发完后,通知主设备数据接收(shōu)有误。主设备则重新发命令帧,从(cóng)而保证通信的准确可靠。HART中断子程序流程图(tú)如图6所示。由于(yú)HART通信为主(zhǔ)从方式,HART帧中每个(gè)字节在物理层传输需要9ms左(zuǒ)右,为了保证通讯的实时性(xìng),通讯(xùn)程序采用串行口终端接收/发(fā)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(ruǎn)件数(shù)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(zhǐ));命(mìng)令字(zì)是00(读变送器标(biāo)识命令字节数);无数据。
2)追(zhuī)加校验和:采用异或逻(luó)辑运算求校验和(hé)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(lìng)并接收从(cóng)设备回答的(de)信息。
4)从回答的信息(xī)中提取流量(liàng)计长帧(zhēn)地址。
5)形成读流量计其他数(shù)据命令:5个FF前导码;起始(shǐ)字符为(wéi)82(采用长帧格式时,主设备向从(cóng)设备发送);地址为流量计长(zhǎng)帧地址;命令字、字节数和数据略;采用异或逻辑(jí)运算求校验和,追(zhuī)加在字节数后,形(xíng)成完(wán)整命令。
6)按异步串行通信方式发送命令并接收仪器回(huí)答的信息。
7)从回答的信息中提取(qǔ)流量计数据。以后再读取(qǔ)流(liú)量计的数据时,只进行(5)~(7)步即可。流程图见图7所示。

4、结论
对研制的钻井泥浆流(liú)量计进行试验表明:该流量计(jì)集成化程度高、功能强、操作方便、性能可(kě)靠;具有自诊断、自检定功能和HART数(shù)据通讯功能;可测正反两个方向流量,也可测脉动流(liú)量;抗电磁干扰(rǎo)和温度性(xìng)能好,适合于现场测量和显示;测量范围大,准确度高。
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1、HART协议简介
HART协议遵循ISO制订的OSI开(kāi)放式系统互连参考模型,采用了OSI模型的*一层、*二(èr)层和*七层,即物理层(céng)、数据链路层和应用层。
1.1 物理(lǐ)层规范
HART协议采用美国电话(huà)通讯系统Bell202频移键控(FSK)标(biāo)准,在4~20 mA的模拟0.5mA的正弦波,波(bō)特率是1200bps。因(yīn)为所(suǒ)叠加(jiā)的正弦信(xìn)号平均值为0,而且(qiě)相位连续频移键控(kòng)技术要求(qiú)在(zài)波特率为1200Hz的数据位1和0的边界的(de)相位角是连续的,所以数字通讯信号不会影响4~20mA的模拟(nǐ)信号。
1.2 数据链路层规范
这一部分协议规定(dìng)了HART帧的格式,实现建立、维护、终结(jié)链路通讯功能,HART协(xié)议根据冗余检(jiǎn)错码信息,通过差错检测机制和采用(yòng)自动重发请求协议(yì)(ARQ),实现通(tōng)讯数据(jù)无差(chà)错传送。与协议相关的实体间的数据传输是以帧(zhēn)的形(xíng)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(zhēn)中的字节记数结束(shù)且(qiě)经过了差(chà)错检(jiǎn)验接收正确无误或是物(wù)理层通知信号传输终(zhōng)止(如检测不到载波)之后才可以(yǐ)进行帧的(de)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(yǐ)据(jù)此略做调整,保证信息的同步。
●DELIM定(dìng)界符:一个独特的或是*容易识别的字符,*高位规定帧的寻(xún)址信(xìn)息分为长格式或短格(gé)式,低(dī)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(shè)备的地址。“1”表示基(jī)本主设备;“0”表示副主设备(bèi)。
●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(zǒng)长度:该值表示的是BYTE CORNT下一个字(zì)节到*后(不(bú)包括校验字节)的字节数。
●DATA数据字节:传送(sòng)用户数据(jù)和(hé)响(xiǎng)应(yīng)数据,但不是每个帧中都会包含数据。
●CHK奇偶校验(yàn):方式(shì)是纵向奇偶校验。
在(zài)数据(jù)链路层中的HART协议是一种“主/从”协(xié)议(yì),即由主设备产生消息,而从设备(bèi)只在接(jiē)收到发送给它的消(xiāo)息后才做出应答。在从设备的应答消息(xī)中除了已被接收的确认(rèn)命令,许多消息中还包含(hán)了(le)主设备询问的数据。HART协议(yì)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(fù)主设备。从(cóng)设备根据两个主设备不同的地址来向它们分发各(gè)自的应答命令消息。实(shí)际上在智能现场设(shè)备与中央控制或(huò)监测设(shè)备的信(xìn)息往返通讯,根据传输信号(hào)的不同,可以分为以下3种通讯模(mó)式:模(mó)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(zhōng)包含三类命(mìng)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(de)设备提供功能描述;*二类为普通操作命令,适用于遵守(shǒu)HART协议的大部分产品,当设备具(jù)有某些功能时,该命令用于对这些功能的描述;*三类为(wéi)设备特殊命令,适用于遵守HART协(xié)议的(de)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(chǎn)的具有特殊(shū)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(de)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(jiàn)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(dān)片机控制的低频励磁电流输出到传(chuán)感(gǎn)器的励磁线圈中,同(tóng)时来自电磁流量传感(gǎn)器的微小电势信号经前置放大后通过AD模数转换电(diàn)路送入到单片机。单片机对这些信(xìn)号进行数据采集,分析处理送(sòng)至(zhì)液晶显示(shì)屏进行瞬(shùn)时流量和累积流量的显(xiǎn)示。同时单片机通(tōng)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(shí)现与上(shàng)位机的远程通讯。
2.1 HART通讯模块设(shè)计
HT2012芯片用来(lái)实现HART协议中通讯信号的解(jiě)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(guò)程:由带通滤波器输出的脉(mò)冲信号(hào)进入HT2012后(hòu),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(yóu)HT2012的ORXD端口输出,CPU对接收到的数据进行判断并(bìng)执行相应的任务。
2.2 HT2012与外部接口
HART数(shù)字信号规范是峰值为1mA、平均值为0mA正弦交流电流信号(hào),此信号经线路阻抗转化为正(zhèng)弦交流电压信号,而HT2012输入和输出信号是(shì)0~5V的方波信号(hào),因此在HT2012和外部的HART信号之间(jiān)还需要(yào)有(yǒu)滤波电路和整形电路。如图3所(suǒ)示,由TLC27组成的滤波器是带通滤波器(qì),用来减少接收信号的噪声干扰。滤波器还(hái)用来消除波形(xíng)中的尖峰,从而使接收到的信号变得平缓。TLC37组成的(de)数字方波产生回路把经过TLC27滤波(bō)后的正弦波转(zhuǎn)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(shàng)升沿和下降沿趋于平缓(huǎn),使信号满足HART物理层规范(fàn)所要求的信号波形上升沿(yán)和下沿的(de)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(luò)间的串扰。

HT2012需要外部提供460.8kHz的(de)时钟信号,且要求时钟频率的误差是0.1%,若直(zhí)接入一个460.8kHz的晶振不仅会(huì)引起系统功耗的增加,而且该晶振属于非(fēi)标准晶振,需专门定制。为了(le)解决(jué)这一(yī)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(fèn)频器CD4013进行(háng)4分颇,可(kě)输出1.8432MHz/4=460.8kHz的分频信号供HT2012使用。AD421其(qí)内(nèi)部的(de)电压调节器与外部(bù)的场效应(yīng)管(guǎn)DN25D对输(shū)入到AD421的电压进行调整,可提供(gòng)+3.3V电压(yā)作为其他设备的(de)电源(yuán)。HART发出的FSK信号,经过一个电容耦合送到AD421中(zhōng),转换成相应的0.5mA正弦电流信号,实现电压信号到电流信(xìn)号的(de)转换,同时,叠(dié)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(huàn)。本电路耦合电容取(qǔ)为0.0033μF,如图5所示。

3、HART通讯(xùn)协议的软件实(shí)现
3.1 钻井泥浆流量计串口中断程序
在HART通(tōng)信中,钻井泥浆流量(liàng)计作为从设(shè)备进行(háng)通讯,所以这里的(de)软件设计只是针对(duì)于从设备。HART通信采用水平和垂直校验的方法(fǎ)。当检测到接收数据有差错时,则等到主设备命令帧(zhēn)发完后,通知主设备数据接收(shōu)有误。主设备则重新发命令帧,从(cóng)而保证通信的准确可靠。HART中断子程序流程图(tú)如图6所示。由于(yú)HART通信为主(zhǔ)从方式,HART帧中每个(gè)字节在物理层传输需要9ms左(zuǒ)右,为了保证通讯的实时性(xìng),通讯(xùn)程序采用串行口终端接收/发(fā)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(ruǎn)件数(shù)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(zhǐ));命(mìng)令字(zì)是00(读变送器标(biāo)识命令字节数);无数据。
2)追(zhuī)加校验和:采用异或逻(luó)辑运算求校验和(hé)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(lìng)并接收从(cóng)设备回答的(de)信息。
4)从回答的信息(xī)中提取流量(liàng)计长帧(zhēn)地址。
5)形成读流量计其他数(shù)据命令:5个FF前导码;起始(shǐ)字符为(wéi)82(采用长帧格式时,主设备向从(cóng)设备发送);地址为流量计长(zhǎng)帧地址;命令字、字节数和数据略;采用异或逻辑(jí)运算求校验和,追(zhuī)加在字节数后,形(xíng)成完(wán)整命令。
6)按异步串行通信方式发送命令并接收仪器回(huí)答的信息。
7)从回答的信息中提取(qǔ)流量计数据。以后再读取(qǔ)流(liú)量计的数据时,只进行(5)~(7)步即可。流程图见图7所示。

4、结论
对研制的钻井泥浆流(liú)量计进行试验表明:该流量计(jì)集成化程度高、功能强、操作方便、性能可(kě)靠;具有自诊断、自检定功能和HART数(shù)据通讯功能;可测正反两个方向流量,也可测脉动流(liú)量;抗电磁干扰(rǎo)和温度性(xìng)能好,适合于现场测量和显示;测量范围大,准确度高。