[導讀] 論述了HART協(xié)議及其在現(xiàn)場儀表中的應用，介紹了手操器的發(fā)展及工作原理，描述了所設計的基于HART協(xié)議的電磁流量計手操器的硬件結構、原理及軟件功能，并在實踐中得到了成功的應用。
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(diào)試時采用手操器讀取儀表內(nèi)各參數(shù)以判斷運行情況就成了電磁流量計應用的一大趨勢。
現(xiàn)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(xiàn)場總線，數(shù)字通信技術正在給現(xiàn)場儀表及過程控制系統(tǒng)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(yè)控制各個領域，實現(xiàn)全數(shù)字化還不現(xiàn)實。為實現(xiàn)從模擬到全數(shù)字的過渡，美國Rosemount公司于1985年推出了一種用于現(xiàn)場智能儀表與控制設備之間的通信協(xié)議- HART協(xié)議。HART協(xié)議兼容模擬電流信號及數(shù)字通信信號，既可進行模擬信號傳輸，又能進行數(shù)字通信。作為一個開放性協(xié)議，經(jīng)過十年多的發(fā)展，HART協(xié)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(xiàn)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(guī)監(jiān)控，也不能實現(xiàn)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(xiàn)場測試中得到了實現(xiàn)。
HART協(xié)議采用在4~20mA模擬信號上疊加音頻數(shù)字信號的方法進行雙向數(shù)字通信，不會影響傳送的系統(tǒng)模擬信號大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。HART協(xié)議遵循ISO制訂的OSI開放式系統(tǒng)互連參考模型中的第一層、第二層、第七層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層（見圖1）。
物理層規(guī)定了信號的傳輸方法和傳輸媒質(zhì)。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(shù)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(zhì)通常采用雙絞電纜線，最大傳輸距離為1500m（見圖2）。
數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了HART幀的格式，實現(xiàn)建立、維護、終結鏈路通信功能。HART協(xié)議采用自動重復請求發(fā)送機制，根據(jù)冗余糾錯碼信息實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的無差錯傳遞。
HART協(xié)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(fā)送的幀均以一定數(shù)目的“FF”字節(jié)開頭，這些信號在物理層的協(xié)議實現(xiàn)中用于對調(diào)制解調(diào)電路系統(tǒng)進行預同步。通常HART協(xié)議按主從方式通信，通信由主設備發(fā)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(jié)）進行編碼，對每字節(jié)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(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐健?/div>
2 手操器的硬件設計
2.1 基于HART協(xié)議的硬件設計特點
① 手操器的軟硬件設計嚴格遵循HART協(xié)議的技術規(guī)范，應用該手操器可以與其他符合HART協(xié)議的設備進行數(shù)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(shù)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(jù)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(nèi)含128字節(jié)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(yōu)先權的5個中斷源。
89C51指令系統(tǒng)含大量算數(shù)運算、邏輯判斷、轉(zhuǎn)移及位操作指令，非常適合本設計的要求。根據(jù)系統(tǒng)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(diào)制解調(diào)器A5191HRT
A5191HRT是專為實現(xiàn)HART協(xié)議而設計的低功耗調(diào)制解調(diào)器，它幾乎包含所有在4~20mA模擬現(xiàn)場儀表上疊加HART協(xié)議所需的電路，只需外接少量元件即可構成HART協(xié)議的完整應用。它共有時鐘模塊、調(diào)制器模塊、解調(diào)器模塊和載波檢測模塊等4個功能模塊。
① 調(diào)制
當INRTS引腳為低電平時，調(diào)制器工作，解調(diào)器關閉，芯片接收CPU 送到ITXD 引腳的不歸零碼（NRZ）數(shù)字信號并調(diào)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(fā)送信號波特率為1200bps。應用線路圖如圖4所示。
② 解調(diào)
當INRTS引腳為高電平時，解調(diào)器工作，調(diào)制器關閉。接收到的信號需經(jīng)過一個帶通濾波器，這個濾波器部分集成在芯片內(nèi)，部分外接。A5191HRT需要IAREF和ICDREF兩個參考電壓源：IAREF為芯片內(nèi)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(xù)脈沖到達時，OCD腳置高，下一個有效脈沖必須在2.5ms內(nèi)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(xiàn)。
3 系統(tǒng)的軟件模塊設計
在點-點HART協(xié)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(jù)流量變送器的程序流程，從機的A5191HRT初始化應設定為解調(diào)接收狀態(tài)，相應主機即手操器的A5191HRT初始化應設定為調(diào)制發(fā)送狀態(tài)。
HART的數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀格式和數(shù)據(jù)通信規(guī)程，其通信是按字節(jié)接收和發(fā)送的，格式如下：
規(guī)定在發(fā)送一個通信幀時，每兩個字符之間的發(fā)送間隔GAP不能大于一個發(fā)送字節(jié)幀的時間9.167ms（1200s×11）
數(shù)據(jù)幀由若干字節(jié)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(jié)，包括源地址和目的地址；命令號一個字節(jié)，代表HART的命令序號；檢驗碼一個字節(jié)用于校驗接收數(shù)據(jù)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(xié)議手操器中設置了4個參數(shù)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(shù)；非線性修正參數(shù)占據(jù)了第三、四屏。
4 結束語
基于HART協(xié)議的儀表與傳統(tǒng)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(chǎn)品，具有操作靈活、使用簡單的優(yōu)點。本設計在大港油田的現(xiàn)場調(diào)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(xiàn)場調(diào)試的要求，其功能滿足了客戶的需要。