0 引言

 

      電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律測量導電流體的體積流量的儀表。由于安裝位置的限制，在調試時采用手操器讀取儀表內各參數以判斷運行情況就成了電磁流量計應用的一大趨勢。

 

      現場總線技術是當前自動檢測技術及過程控制領域的熱點之一，通過現場總線，數字通信技術正在給現場儀表及過程控制系統帶來巨大變革。但目前基于4~20mA的模擬設備還廣泛應用于工業控制各個領域，實現全數字化還不現實。為實現從模擬到全數字的過渡，美國Rosemount公司于1985年推出了一種用于現場智能儀表與控制設備之間的通信協議- HART協議。HART協議兼容模擬電流信號及數字通信信號，既可進行模擬信號傳輸，又能進行數字通信。作為一個開放性協議，經過十年多的發展，HART協議已廣泛為智能儀表領域所接受。

 

      HART通信最廣泛的應用是現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監控，也不能實現用戶自編程序的自動控制過程，本文針對這種情況設計了一種操作方便、能滿足用戶特殊要求、符合HART通信標準的電磁流量計手操器，并在現場測試中得到了實現。

 

      1 HART協議結構模型簡介

 

      HART協議采用在4~20mA模擬信號上疊加音頻數字信號的方法進行雙向數字通信，不會影響傳送的系統模擬信號大小，保證了與現有模擬系統的兼容性。HART協議遵循ISO制訂的OSI開放式系統互連參考模型中的第一層、第二層、第七層，即物理層、數據鏈路層和應用層（見圖1）。

 

 

 

      1.1 物理層

 

      物理層規定了信號的傳輸方法和傳輸媒質。HART通信傳輸基于Bell 202通信標準，采用頻移鍵控- FSK方法，傳遞波特率設定為1200bps，數字信號“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上傳遞。由于FSK信號平均值為0，不影響模擬信號傳輸，傳輸介質通常采用雙絞電纜線，最大傳輸距離為1500m（見圖2）。

 

 

 

      1.2 數據鏈路層

 

      數據鏈路層規定了HART幀的格式，實現建立、維護、終結鏈路通信功能。HART協議采用自動重復請求發送機制，根據冗余糾錯碼信息實現通信數據的無差錯傳遞。

 

 

 

      HART協議采用2~20個“FF”作為給接收設備的同步信息，所有主設備、從設備發送的幀均以一定數目的“FF”字節開頭，這些信號在物理層的協議實現中用于對調制解調電路系統進行預同步。通常HART協議按主從方式通信，通信由主設備發起，從設備先聽后答。在點到點的通信中，電磁流量計手操器即為主，電磁流量計即為從。HART幀以8位（1字節）進行編碼，對每字節加上起始位、奇偶校驗位及1位停止位共11位傳遞，保證了每個字節數據傳輸的同步。

 

      2 手操器的硬件設計

 

      2.1 基于HART協議的硬件設計特點

 

      ① 手操器的軟硬件設計嚴格遵循HART協議的技術規范，應用該手操器可以與其他符合HART協議的設備進行數字通信，具備良好的兼容性。

      ② 模擬所有運算均采用精度極高的IEEE754格式的浮點數運算，精度可達0.1%。

 

      2.2 硬件電路原理圖設計

 

      2.2.1 CPU

 

      根據HART手操器的設計要求，選擇了MCS-51系列中的89C51單片機作為微處理器，內含128字節RAM、4個8位并行I/O口、1個全雙工的串行I/O、2個16位字時器和兩級優先權的5個中斷源。

 

      89C51指令系統含大量算數運算、邏輯判斷、轉移及位操作指令，非常適合本設計的要求。根據系統程序的大小，本設計采用EPROM27256作為手操器的程序存儲器，程序空間32k。HART手操器原理圖如圖3所示。

 

 

 

      2.2.2 HART調制解調器A5191HRT

 

      A5191HRT是專為實現HART協議而設計的低功耗調制解調器，它幾乎包含所有在4~20mA模擬現場儀表上疊加HART協議所需的電路，只需外接少量元件即可構成HART協議的完整應用。它共有時鐘模塊、調制器模塊、解調器模塊和載波檢測模塊等4個功能模塊。

 

      ① 調制

 

      當INRTS引腳為低電平時，調制器工作，解調器關閉，芯片接收CPU 送到ITXD 引腳的不歸零碼（NRZ）數字信號并調制成FSK信號后由OTXA引腳輸出。ITXD為低電平時，OTXA輸出2200Hz信號；ITXD為高電平時，OTXA輸出1200Hz信號。發送信號波特率為1200bps。應用線路圖如圖4所示。

 

 

 

      ② 解調

 

      當INRTS引腳為高電平時，解調器工作，調制器關閉。接收到的信號需經過一個帶通濾波器，這個濾波器部分集成在芯片內，部分外接。A5191HRT需要IAREF和ICDREF兩個參考電壓源：IAREF為芯片內部的放大器和比較器提供電壓基準，正常為1.235V；ICDREF 用于載波檢測，應比IAREF 低0.08V，見圖5。

 

 

 

      ③ 載波檢測

 

      當IRXAC的電壓小于ICDREF時，比較器的CDCMP輸出邏輯電平并被引入一個載波檢測模塊。當INRTS為高且有4個連續脈沖到達時，OCD腳置高，下一個有效脈沖必須在2.5ms內被接收才能使OCD保持高電平。載波檢測用于對HART幀信號同步信號的檢測。

 

      ④ 時鐘芯片正常工作需要460.8KHz的時鐘信號，由引腳OXTL和IXTL間連接1個晶體諧振器實現。

 

      3 系統的軟件模塊設計

 

      在點-點HART協議電磁流量計的設計中采用的是主從結構，主機即為手操器，從機即為電磁流量計。從機的主程序流程圖如圖6所示。

 

 

 

      根據流量變送器的程序流程，從機的A5191HRT初始化應設定為解調接收狀態，相應主機即手操器的A5191HRT初始化應設定為調制發送狀態。

 

      HART的數據鏈路層規定了數據幀格式和數據通信規程，其通信是按字節接收和發送的，格式如下：

 

 

 

      規定在發送一個通信幀時，每兩個字符之間的發送間隔GAP不能大于一個發送字節幀的時間9.167ms（1200s×11）

 

      數據幀由若干字節組成，HART幀分為長幀和短幀兩種，但均遵循如下格式：

 

 

 

      序文由兩個或兩個以上的“FF”組成，主要用于MODEM接收時的幀同步；起始字符一個字節，包括源地址和目的地址；命令號一個字節，代表HART的命令序號；檢驗碼一個字節用于校驗接收數據的正確性。

 

      電磁流量計手操器主程序流程如圖7所示，中斷程序流程如圖8所示。

 

 

 

 

 

      電磁流量計的HART協議手操器中設置了4個參數顯示屏幕：累積流量、瞬時流量、密度、儀表零點等4個主變量為一屏；阻尼時間、最大流量、小信號切除、儀表號為第二屏參數；非線性修正參數占據了第三、四屏。

 

      4 結束語

 

      基于HART協議的儀表與傳統4~20mA標準的儀表具有兼容性，有著廣泛的應用空間。手操器正是與之相配套的產品，具有操作靈活、使用簡單的優點。本設計在大港油田的現場調試獲得成功。實踐證明，本電磁流量計手操器的設計較好地滿足了電磁流量計現場調試的要求，其功能滿足了客戶的需要。