Разработка интеллектуального электромагнитного расходомера на основе протокола HART

1. Введение
HART, а именно Highway Addressable Remote Transducer, является аббревиатурой от Addressable Remote Sensor Highway. Впервые он был разработан компанией Rosemount в США и поддержан более чем 80 известными производителями приборов. Допускается двусторонняя цифровая связь.
Интеллектуальный электромагнитный расходомер, соответствующий протоколу HART, может не только осуществлять обнаружение и локальное отображение различных скоростей потока, но также выполнять дистанционную настройку через верхний расходомер, изменять нулевую точку и диапазон расходомера, а также выполнять такие функции, как автоматическое -диагностика. Он удобен в использовании и обслуживании расходомера, поэтому он имеет сильную конкурентоспособность на рынке. В данной статье обсуждаются технические проблемы конкретной реализации интеллектуального электромагнитного расходомера на основе протокола HART. Один из них – решить проблему проектирования аппаратной схемы, а другой – обсудить реализацию программирования набора команд протокола HART и реализацию программного обеспечения главного компьютера.

2 Введение в протокол HART
Протокол HART соответствует эталонной модели взаимосвязей открытой системы OSI, сформулированной ISO, и использует первый, второй и седьмой уровни модели OSI, а именно физический уровень, уровень канала передачи данных и прикладной уровень.

2.1 Спецификация физического уровня
Протокол HART использует стандарт американской телефонной связи Bell202 с частотной манипуляцией (FSK), который имитирует синусоидальный сигнал ±0,5 мА при токе 4–20 мА, а скорость передачи данных составляет 1200 бит/с. Поскольку среднее значение наложенного синусоидального сигнала равно 0, а технология фазовой непрерывной частотной манипуляции требует, чтобы фазовый угол на границе битов данных 1 и 0 со скоростью передачи данных 1200 Гц был непрерывным, поэтому цифровой сигнал связи будет не влияет на аналоговый сигнал 4 ~ 20 мА.

2.2 Спецификации уровня канала передачи данных
Эта часть протокола определяет формат кадра HART и реализует функции установления, обслуживания и связи по каналу передачи данных. Протокол HART использует механизм обнаружения ошибок и протокол автоматического запроса повторения (ARQ) в соответствии с информацией избыточного кода обнаружения ошибок для реализации передаваемых данных. передача ошибок.
Передача данных, относящихся к протоколу, реализуется в виде кадров. Кадр представляет собой инкапсуляцию пользовательских данных с помощью пользовательской управляющей и адресной информации. Его можно осуществить только после того, как отсчет байтов в кадре закончился и прием корректен после проверки ошибок или прекращена передача сигнала уведомления физического уровня (например, не может быть обнаружена несущая). Идентификация кадра. Формат кадра HART показан на рисунке 1.

ПРЕАМБУЛА Сигнал преамбулы.
DELIM Разделитель: уникальный или наиболее легко узнаваемый символ.
Байт адреса ADDR: содержит адрес источника и адрес назначения, а старший бит используется для указания адреса ведущего устройства, связанного с кадром.
Командный байт COM: указывает функцию, которую должен выполнять полевой прибор.
Общая длина данных BYTE CORNT: это значение представляет количество байтов от следующего байта до последнего (исключая контрольный байт) BYTE CORNT.
ДАННЫЕ Байты данных.
CHK Parity: Вертикальная четность.
Протокол HART на уровне канала передачи данных является протоколом «главный/подчиненный». Помимо команды подтверждения, полученной в ответном сообщении от ведомого устройства, многие сообщения также содержат данные, запрошенные ведущим устройством. Протокол HART позволяет одновременно работать в системе двум ведущим устройствам: базовому ведущему устройству и вспомогательному устройству. Подчиненные устройства рассылают соответствующие ответные командные сообщения двум главным устройствам в соответствии с их разными адресами.

2.3 Спецификации прикладного уровня
Он определяет 3 типа команд в пакете сообщений HART. Первый тип — это общая команда, которая применима ко всем продуктам, соответствующим протоколу HART, и предоставляет функциональные описания для устройств, соответствующих протоколу HART; второй тип представляет собой общую рабочую команду, подходящую для соответствия протоколу HART. Большая часть продуктов; третья категория — это специальная команда устройства, которая подходит для специальных продуктов, соответствующих протоколу HART.
3 Аппаратное обеспечение интеллектуального электромагнитного расходомера на основе протокола HART
Схема аппаратной системы интеллектуального электромагнитного расходомера с протоколом связи HART имеет модульную конструкцию, которая в основном состоит из четырех частей: модуль датчика, модуль MCU, модуль связи HART и модуль человеко-машинного интерфейса.
Низкочастотный ток возбуждения, контролируемый однокристальным микрокомпьютером, выводится на катушку возбуждения датчика, а крошечный потенциальный сигнал от электромагнитного датчика потока предварительно усиливается и отправляется на однокристальный микрокомпьютер.

3.1 Конструкция модуля связи HART
Чип HT2012 используется для реализации процесса демодуляции и модуляции сигнала связи в протоколе HART.
Процесс демодуляции сигнала HART: после того, как импульсный сигнал, выдаваемый полосовым фильтром, поступает в HT2012, модем демодулирует импульсный сигнал частотой 1200 Гц и 2200 Гц в цифровые 1 и 0 соответственно, а затем цифровой сигнал выводится из ORXD. порт HT2012, а ЦП оценивает полученные данные и выполняет соответствующие задачи.

3.2 HT2012 и внешний интерфейс
Спецификация цифрового сигнала HART представляет собой синусоидальный сигнал переменного тока с пиковым значением 1 мА и средним значением 0 мА. Этот сигнал преобразуется в синусоидальный сигнал переменного напряжения через полное сопротивление линии. Входные и выходные сигналы HT2012 представляют собой прямоугольные сигналы от 0 до 5 В. Поэтому в HT2012 между сигналами HART также необходимы внешняя схема фильтра А и схема формирования.
Фильтр, состоящий из TLC27, представляет собой полосовой фильтр, который используется для уменьшения шумовых помех принимаемого сигнала. Фильтры также используются для сглаживания принимаемого сигнала путем удаления пиков формы сигнала. Схема генерации цифровых прямоугольных сигналов, состоящая из TLC37, преобразует синусоидальную волну, отфильтрованную TLC27, в соответствующую прямоугольную волну, которую удобно принимать HT2012.
Функция буфера 74HC126 заключается в сглаживании нарастающих и спадающих фронтов прямоугольной волны, чтобы сигнал соответствовал требованиям к нарастающим и спадающим фронтам формы сигнала, требуемым спецификацией физического уровня HART. Перекрестные помехи с другими сетями могут быть уменьшены.
HT2012 должен обеспечивать внешний тактовый сигнал частотой 460,8 кГц, а погрешность тактовой частоты должна составлять ±0,1%. Если напрямую вводится кварцевый генератор с частотой 460,8 кГц, это не только увеличит энергопотребление системы, но и кварцевый генератор является нестандартным кварцевым генератором и его необходимо настроить. Чтобы решить эту проблему, в системе используется кварцевый генератор с частотой 1,8432 МГц для генерации тактового сигнала, который затем делится на 4 с помощью делителя частоты CD4013, и сигнал разделения частоты 1,8432 МГц/4 = 460,8 кГц может быть вывод для HT2012.
Внутренний стабилизатор напряжения AD421 и внешний полевой транзистор DN25D регулируют входное напряжение до AD421, который может обеспечить +3,3 В в качестве источника питания для других устройств. Сигнал FSK, отправляемый HART, передается на AD421 через емкостную связь и преобразуется в соответствующий синусоидальный сигнал тока ±0,5 мА для реализации преобразования сигнала напряжения в сигнал тока. Реализован обмен информацией протокола HART. Емкость связи этой цепи принята равной 0,0033мкФ.

4 Программная реализация протокола связи HART
4.1 Программа прерывания последовательного порта интеллектуального электромагнитного расходомера
В процедуре обслуживания прерываний последовательного порта сначала защитите сцену, а затем определите, является ли это прерыванием приема или прерыванием отправки. Если это прерывание приема, выполните подпрограмму обслуживания приема, в противном случае выполните подпрограмму обслуживания отправки. После завершения обработки прерывания восстановите сцену и вернитесь в основную программу системы. Связь HART использует метод горизонтальной и вертикальной проверки. Когда обнаруживается ошибка в полученных данных, ведущее устройство будет уведомлено о том, что данные получены неправильно после отправки командного кадра на ведущее устройство. Главное устройство повторно отправляет командный кадр для обеспечения точной и надежной связи. Блок-схема процедуры прерывания последовательного порта HART показана на рисунке 5.

4.2 Подпрограмма разделения команд HART
Прежде чем ответить на командный кадр, кадр должен быть разделен, то есть сначала оценивается, правильна ли преамбула кадра, и счетчик увеличивается на 1 каждый раз, когда принимается преамбула. Затем получите разделитель. Если это действительный разделитель и счетчик преамбулы больше 1, это начальная позиция кадра HART, а тип кадра HART определяется в соответствии с разделителем. Если это кадр ответа или кадр группового режима, он будет завершен. Получить услугу и дождаться окончания перевозчика; если это кадр запроса, определите формат кадра, установите полученный формат длинного кадра или значение счетчика адреса формата короткого кадра, адрес формата короткого кадра получает 1 байт, а адрес формата длинного кадра получает 5 байтов. Повторно получить номер команды, байт длины байта данных, если в байте длины байта данных имеется ошибка четности, завершить приемную услугу и дождаться окончания несущей; в противном случае установите счетчик длины байта данных, каждый раз, когда принимается байт данных, счетчик длины вычитает 1 и, наконец, получает горизонтальную контрольную сумму. Если адрес запроса приема совпадает, выполните XOR полученного кадра HART с горизонтальной контрольной суммой и сравните его с полученным горизонтальным