HART協(xié)議在二線雷達(dá)物位計(jì)中的應(yīng)用方案

介紹了HART協(xié)議在二線雷達(dá)物位計(jì)中的應(yīng)用方案。利用HART協(xié)議的命令和擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)了回波曲線等長(zhǎng)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。實(shí)際應(yīng)用表明此方案方便有效，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

1 HART通信協(xié)議簡(jiǎn)介

HART通信協(xié)議是由HART通信基金會(huì)（HCF）發(fā)布的一種兼容4~20mA信號(hào)的總線協(xié)議。目前得到行業(yè)內(nèi)大多數(shù)公司的支持，廣泛應(yīng)用于智能儀表行業(yè)中，據(jù)統(tǒng)計(jì)，有2/3以上的智能儀表采用了HART協(xié)議。

HART協(xié)議參照OSI架構(gòu)，使用了其中的物理層、鏈路層和應(yīng)用層。

1.1物理層

采用Bell202通信標(biāo)準(zhǔn)的FSK調(diào)制，波特率固定為1200bps，邏輯1以1200Hz表示，邏輯0以2200Hz表示。

1.2鏈路層

每個(gè)字節(jié)包括1位起始位、8位數(shù)據(jù)、1位奇校驗(yàn)和1位停止位。數(shù)據(jù)幀格式如下：

*地址：設(shè)備地址（1或5字節(jié)），由定界符的b7

*擴(kuò)展字節(jié)：0~3字節(jié)，由定界符的b6b5

*命令號(hào)：1字節(jié)，指示具體命令

*字節(jié)計(jì)數(shù)：1字節(jié)，指示數(shù)據(jù)段的字節(jié)長(zhǎng)度

*校驗(yàn)字節(jié)：1字節(jié)，從定界符到數(shù)據(jù)段所有字節(jié)的異或和。

1.3應(yīng)用層

定義了基于命令號(hào)的命令集。每條命令規(guī)定了不同的讀/寫操作。命令集包含三類命令：

通用命令（Universal Commands）：命令號(hào)為0～31，所有HART設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)全部的通用命令。

普通命令（Common Practice Commands）：命令號(hào)為32~127，提供了大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的常用操作。廠商可以選擇使用其中的部分或全部命令。

命令（Device SpecificCommands）：命令號(hào)為128~255，針對(duì)具體設(shè)備的特殊性而設(shè)立，由廠商定義命令的具體操作。

2HART協(xié)議在二線雷達(dá)物位計(jì)中

的應(yīng)用

雷達(dá)物位計(jì)是基于調(diào)頻連續(xù)波原理（FMCW Fre-

quency Modulated Continuous Wave）設(shè)計(jì)的。使用線性調(diào)頻高頻信號(hào)，發(fā)射頻率隨一定的時(shí)間間隔線性增加。由于發(fā)射頻率是隨著時(shí)間變化的，經(jīng)被測(cè)物體反射回來的接收頻率與發(fā)射頻率之間的差值A(chǔ)f就與被測(cè)物體的距離成比例，因此通過計(jì)算Af就能獲得被測(cè)物體與天線之間的距離。

在二線雷達(dá)物位計(jì)的設(shè)計(jì)中采用了HART6總線解決方案。主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

*可與任何支持HART協(xié)議的手操器或控制系統(tǒng)互連；

*采用二線制，電源為+24V直流電源，直流輸出電流要求達(dá)到3.55~22mA范圍；

*通過鍵盤、上位機(jī)或手操器設(shè)定標(biāo)簽、零點(diǎn)、量程、輸出電流、單位、輪詢號(hào)和阻尼時(shí)間等；

*通過下位機(jī)的液晶顯示屏或者上位機(jī)能查看回波曲線、包絡(luò)線、歷史記錄，通過上位機(jī)設(shè)置和讀取非線性映射曲線；

*通過上位機(jī)或手操器進(jìn)行仿真，以及設(shè)置和備份組態(tài)；

*與上位機(jī)、手操器點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，或者多點(diǎn)（Mul-tidrop）組網(wǎng)；

*支持中文和英文切換。

*支持中文和英文切換。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)是在低功耗條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行和可靠通信。硬件使用3V電源，全部采用低功耗器件。傳感器由射頻天線和射頻處理板構(gòu)成，負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的發(fā)射接收和自相關(guān)計(jì)算；EEPROM用于保存組態(tài)參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)；外部RAM存放字庫(kù)、曲線等大數(shù)據(jù)；CPU負(fù)責(zé)回波數(shù)據(jù)處理算法、鍵盤控制、顯示控制、電源管理以及通信接口等功能，CPU與EEPROM、鍵盤和液晶顯示控制器之間采用I2C總線通信。

HART信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)采用HT20C15PL芯片實(shí)現(xiàn)。

圖1是系統(tǒng)原理框圖。

軟件上則需要進(jìn)行嚴(yán)格的電源控制，對(duì)空閑狀態(tài)的硬件模塊停止供電。數(shù)據(jù)處理算、功能菜單和LCD顯示等模塊的程序?qū)崿F(xiàn)都要求盡量簡(jiǎn)捷合理，嚴(yán)格控制RAM的使用空間。

通信接口固定使用被動(dòng)方式，只有在接收到命令時(shí)才做出響應(yīng)。HART協(xié)議模塊實(shí)現(xiàn)了HART6協(xié)議中提供的全部通用命令以及部分普通命令。此外，協(xié)議模塊還使用了若干命令來傳輸回波曲線、包絡(luò)線、映射曲線等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度都在幾百至幾千字節(jié)。由于HART幀的長(zhǎng)度指示只有一個(gè)字節(jié)，多只能支持255個(gè)字節(jié)傳輸，因此必須考慮用其他方法解決。

方法一，利用協(xié)議提供的塊數(shù)據(jù)傳輸（Block Data Transfer）命令111和命令112，將大數(shù)據(jù)分成若干個(gè)小塊，分別編號(hào)后逐個(gè)傳輸。這樣做的缺點(diǎn)是顯而易見的，，需要另外實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的傳輸層控制，發(fā)送端需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分塊，接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)重組，每一個(gè)分塊的傳輸都要經(jīng)過一來一回進(jìn)行確認(rèn)，增加傳輸時(shí)間，并且要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的差錯(cuò)控制和重傳機(jī)制。第二，通信雙方需要更大的內(nèi)存開銷，下位機(jī)的內(nèi)存空間和功耗指標(biāo)都難以支持。

方法二，用設(shè)備命令實(shí)現(xiàn)，利用協(xié)議擴(kuò)展字段，將大數(shù)據(jù)在一幀里面?zhèn)鬏?。這樣的好處是，算法簡(jiǎn)單，通用命令、普通命令和命令都使用相同的處理機(jī)制，節(jié)省內(nèi)存，并且速度更快。

3擴(kuò)展方案

對(duì)命令增加兩個(gè)擴(kuò)展字節(jié)，個(gè)字節(jié)用于存放幀長(zhǎng)度的高8位，幀長(zhǎng)度的低8位仍然在HART幀的長(zhǎng)度指示字節(jié)傳輸；因此，理論上擴(kuò)展后的HART幀可以傳輸65536個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。另一個(gè)擴(kuò)展字節(jié)傳輸頭校驗(yàn)，即定界符、命令號(hào)、擴(kuò)展字節(jié)、幀長(zhǎng)度字段按字節(jié)異或的結(jié)果值，這個(gè)校驗(yàn)主要的作用是確保收到正確的幀長(zhǎng)度指示，并且使得本設(shè)備的命令不與其他儀表的命令混淆。

擴(kuò)展后的幀格式如下：

定界符的b6b5為10，指示使用了2個(gè)擴(kuò)展字節(jié)，命令號(hào)在命令的128~255中選擇。

4HART通信程序?qū)崿F(xiàn)框圖

HT20C15在空閑時(shí)處于解調(diào)狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)到來時(shí)，如果地址匹配，則判斷是否命令，如果是命令則必須通過頭校驗(yàn)才進(jìn)行處理，以便確認(rèn)幀長(zhǎng)度指示正確，并且是本設(shè)備的命令，否則忽略該命令。在提取幀長(zhǎng)度時(shí)，命令需要計(jì)算在擴(kuò)展字節(jié)中傳輸?shù)母?位，其他處理與通用命令和普通命令相同。由于HART協(xié)議采用半雙工通信，并且是固定速率，程序引入了超時(shí)機(jī)制，使通信更加可靠。圖2是接收程序流程圖。

5性能測(cè)試

按照?qǐng)D3的連接，二線雷達(dá)物位計(jì)分別與上位機(jī)和手操器進(jìn)行了連接測(cè)試，手操器為Emerson公司的375 Field Communicator，測(cè)試過程中檢驗(yàn)了程序?qū)崿F(xiàn)的所有通用命令和普通命令，通信穩(wěn)定可靠，反復(fù)進(jìn)行斷線/重連測(cè)試，下位機(jī)能正常通信。物位計(jì)與配套開發(fā)的上位機(jī)進(jìn)行連接測(cè)試時(shí)，須經(jīng)過HARI/RS232雙向轉(zhuǎn)換器，上位機(jī)是一臺(tái)運(yùn)行監(jiān)控軟件的PC機(jī)。測(cè)試表明，通過上位機(jī)設(shè)置物位計(jì)參數(shù)、設(shè)置讀取映射曲線、顯示回波曲線等操作都能順暢進(jìn)行，*符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

6結(jié)論

HART協(xié)議在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，隨著智能儀表的功能變得越來越復(fù)雜，對(duì)通信總線的要求也越來越高，本文介紹的HART協(xié)議應(yīng)用方案在二線雷達(dá)物位計(jì)中獲得了良好應(yīng)用。對(duì)于其他智能儀表的設(shè)計(jì)，該方案也可以作為參考。

HART協(xié)議在二線雷達(dá)物位計(jì)中的應(yīng)用方案