0 引言

 

      电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律测量导电流体的体积流量的仪表。由于安装位置的限制，在调试时采用手操器读取仪表内各参数以判断运行情况就成了电磁流量计应用的一大趋势。

 

      现场总线技术是当前自动检测技术及过程控制领域的热点之一，通过现场总线，数字通信技术正在给现场仪表及过程控制系统带来巨大变革。但目前基于4~20mA的模拟设备还广泛应用于工业控制各个领域，实现全数字化还不现实。为实现从模拟到全数字的过渡，美国Rosemount公司于1985年推出了一种用于现场智能仪表与控制设备之间的通信协议- HART协议。HART协议兼容模拟电流信号及数字通信信号，既可进行模拟信号传输，又能进行数字通信。作为一个开放性协议，经过十年多的发展，HART协议已广泛为智能仪表领域所接受。

 

      HART通信最广泛的应用是现场智能仪表与手持终端之间的通信。但手持终端并不适用于操作人员做常规监控，也不能实现用户自编程序的自动控制过程，本文针对这种情况设计了一种操作方便、能满足用户特殊要求、符合HART通信标准的电磁流量计手操器，并在现场测试中得到了实现。

 

      1 HART协议结构模型简介

 

      HART协议采用在4~20mA模拟信号上叠加音频数字信号的方法进行双向数字通信，不会影响传送的系统模拟信号大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。HART协议遵循ISO制订的OSI开放式系统互连参考模型中的第一层、第二层、第七层，即物理层、数据链路层和应用层（见图1）。

 

 

 

      1.1 物理层

 

      物理层规定了信号的传输方法和传输媒质。HART通信传输基于Bell 202通信标准，采用频移键控- FSK方法，传递波特率设定为1200bps，数字信号“0”和“1”分别用“2200Hz”和“1200Hz”的正弦波表示，这些频率叠加在模拟信号上传递。由于FSK信号平均值为0，不影响模拟信号传输，传输介质通常采用双绞电缆线，最大传输距离为1500m（见图2）。

 

 

 

      1.2 数据链路层

 

      数据链路层规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通信功能。HART协议采用自动重复请求发送机制，根据冗余纠错码信息实现通信数据的无差错传递。

 

 

 

      HART协议采用2~20个“FF”作为给接收设备的同步信息，所有主设备、从设备发送的帧均以一定数目的“FF”字节开头，这些信号在物理层的协议实现中用于对调制解调电路系统进行预同步。通常HART协议按主从方式通信，通信由主设备发起，从设备先听后答。在点到点的通信中，电磁流量计手操器即为主，电磁流量计即为从。HART帧以8位（1字节）进行编码，对每字节加上起始位、奇偶校验位及1位停止位共11位传递，保证了每个字节数据传输的同步。

 

      2 手操器的硬件设计

 

      2.1 基于HART协议的硬件设计特点

 

      ① 手操器的软硬件设计严格遵循HART协议的技术规范，应用该手操器可以与其他符合HART协议的设备进行数字通信，具备良好的兼容性。

      ② 模拟所有运算均采用精度极高的IEEE754格式的浮点数运算，精度可达0.1%。

 

      2.2 硬件电路原理图设计

 

      2.2.1 CPU

 

      根据HART手操器的设计要求，选择了MCS-51系列中的89C51单片机作为微处理器，内含128字节RAM、4个8位并行I/O口、1个全双工的串行I/O、2个16位字时器和两级优先权的5个中断源。

 

      89C51指令系统含大量算数运算、逻辑判断、转移及位操作指令，非常适合本设计的要求。根据系统程序的大小，本设计采用EPROM27256作为手操器的程序存储器，程序空间32k。HART手操器原理图如图3所示。

 

 

 

      2.2.2 HART调制解调器A5191HRT

 

      A5191HRT是专为实现HART协议而设计的低功耗调制解调器，它几乎包含所有在4~20mA模拟现场仪表上叠加HART协议所需的电路，只需外接少量元件即可构成HART协议的完整应用。它共有时钟模块、调制器模块、解调器模块和载波检测模块等4个功能模块。

 

      ① 调制

 

      当INRTS引脚为低电平时，调制器工作，解调器关闭，芯片接收CPU 送到ITXD 引脚的不归零码（NRZ）数字信号并调制成FSK信号后由OTXA引脚输出。ITXD为低电平时，OTXA输出2200Hz信号；ITXD为高电平时，OTXA输出1200Hz信号。发送信号波特率为1200bps。应用线路图如图4所示。

 

 

 

      ② 解调

 

      当INRTS引脚为高电平时，解调器工作，调制器关闭。接收到的信号需经过一个带通滤波器，这个滤波器部分集成在芯片内，部分外接。A5191HRT需要IAREF和ICDREF两个参考电压源：IAREF为芯片内部的放大器和比较器提供电压基准，正常为1.235V；ICDREF 用于载波检测，应比IAREF 低0.08V，见图5。

 

 

 

      ③ 载波检测

 

      当IRXAC的电压小于ICDREF时，比较器的CDCMP输出逻辑电平并被引入一个载波检测模块。当INRTS为高且有4个连续脉冲到达时，OCD脚置高，下一个有效脉冲必须在2.5ms内被接收才能使OCD保持高电平。载波检测用于对HART帧信号同步信号的检测。

 

      ④ 时钟芯片正常工作需要460.8KHz的时钟信号，由引脚OXTL和IXTL间连接1个晶体谐振器实现。

 

      3 系统的软件模块设计

 

      在点-点HART协议电磁流量计的设计中采用的是主从结构，主机即为手操器，从机即为电磁流量计。从机的主程序流程图如图6所示。

 

 

 

      根据流量变送器的程序流程，从机的A5191HRT初始化应设定为解调接收状态，相应主机即手操器的A5191HRT初始化应设定为调制发送状态。

 

      HART的数据链路层规定了数据帧格式和数据通信规程，其通信是按字节接收和发送的，格式如下：

 

 

 

      规定在发送一个通信帧时，每两个字符之间的发送间隔GAP不能大于一个发送字节帧的时间9.167ms（1200s×11）

 

      数据帧由若干字节组成，HART帧分为长帧和短帧两种，但均遵循如下格式：

 

 

 

      序文由两个或两个以上的“FF”组成，主要用于MODEM接收时的帧同步；起始字符一个字节，包括源地址和目的地址；命令号一个字节，代表HART的命令序号；检验码一个字节用于校验接收数据的正确性。

 

      电磁流量计手操器主程序流程如图7所示，中断程序流程如图8所示。

 

 

 

 

 

      电磁流量计的HART协议手操器中设置了4个参数显示屏幕：累积流量、瞬时流量、密度、仪表零点等4个主变量为一屏；阻尼时间、最大流量、小信号切除、仪表号为第二屏参数；非线性修正参数占据了第三、四屏。

 

      4 结束语

 

      基于HART协议的仪表与传统4~20mA标准的仪表具有兼容性，有着广泛的应用空间。手操器正是与之相配套的产品，具有操作灵活、使用简单的优点。本设计在大港油田的现场调试获得成功。实践证明，本电磁流量计手操器的设计较好地满足了电磁流量计现场调试的要求，其功能满足了客户的需要。