HART協議在二線雷達物位計中的應用方案-雷達液位計 返回列表頁

HART協議在二線雷達物位計中的應用方案

介紹了HART協議在二線雷達物位計中的應用方案。利用HART協議的命令和擴展功能實現了回波曲線等長數據的可靠傳輸。實際應用表明此方案方便有效，具有良好的應用價值。

1 HART通信協議簡介

HART通信協議是由HART通信基金會（HCF）發布的一種兼容4~20mA信號的總線協議。目前得到行業內大多數公司的支持，廣泛應用于智能儀表行業中，據統計，有2/3以上的智能儀表采用了HART協議。

HART協議參照OSI架構，使用了其中的物理層、鏈路層和應用層。

1.1物理層

采用Bell202通信標準的FSK調制，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

每個字節包括1位起始位、8位數據、1位奇校驗和1位停止位。數據幀格式如下：

*地址：設備地址（1或5字節），由定界符的b7

*擴展字節：0~3字節，由定界符的b6b5

*命令號：1字節，指示具體命令

*字節計數：1字節，指示數據段的字節長度

*校驗字節：1字節，從定界符到數據段所有字節的異或和。

1.3應用層

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

通用命令（Universal Commands）：命令號為0～31，所有HART設備必須實現全部的通用命令。

普通命令（Common Practice Commands）：命令號為32~127，提供了大多數現場設備的常用操作。廠商可以選擇使用其中的部分或全部命令。

命令（Device SpecificCommands）：命令號為128~255，針對具體設備的特殊性而設立，由廠商定義命令的具體操作。

2HART協議在二線雷達物位計中

的應用

雷達物位計是基于調頻連續波原理（FMCW Fre-

quency Modulated Continuous Wave）設計的。使用線性調頻高頻信號，發射頻率隨一定的時間間隔線性增加。由于發射頻率是隨著時間變化的，經被測物體反射回來的接收頻率與發射頻率之間的差值Af就與被測物體的距離成比例，因此通過計算Af就能獲得被測物體與天線之間的距離。

在二線雷達物位計的設計中采用了HART6總線解決方案。主要設計指標如下：

*可與任何支持HART協議的手操器或控制系統互連；

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

*通過鍵盤、上位機或手操器設定標簽、零點、量程、輸出電流、單位、輪詢號和阻尼時間等；

*通過下位機的液晶顯示屏或者上位機能查看回波曲線、包絡線、歷史記錄，通過上位機設置和讀取非線性映射曲線；

*通過上位機或手操器進行仿真，以及設置和備份組態；

*與上位機、手操器點對點通信，或者多點（Mul-tidrop）組網；

*支持中文和英文切換。

*支持中文和英文切換。

系統實現的難點是在低功耗條件下實現穩定運行和可靠通信。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成，負責射頻信號的發射接收和自相關計算；EEPROM用于保存組態參數和歷史數據；外部RAM存放字庫、曲線等大數據；CPU負責回波數據處理算法、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信號的調制和解調采用HT20C15PL芯片實現。

圖1是系統原理框圖。

軟件上則需要進行嚴格的電源控制，對空閑狀態的硬件模塊停止供電。數據處理算、功能菜單和LCD顯示等模塊的程序實現都要求盡量簡捷合理，嚴格控制RAM的使用空間。

通信接口固定使用被動方式，只有在接收到命令時才做出響應。HART協議模塊實現了HART6協議中提供的全部通用命令以及部分普通命令。此外，協議模塊還使用了若干命令來傳輸回波曲線、包絡線、映射曲線等數據，這些數據的長度都在幾百至幾千字節。由于HART幀的長度指示只有一個字節，多只能支持255個字節傳輸，因此必須考慮用其他方法解決。

方法一，利用協議提供的塊數據傳輸（Block Data Transfer）命令111和命令112，將大數據分成若干個小塊，分別編號后逐個傳輸。這樣做的缺點是顯而易見的，，需要另外實現復雜的傳輸層控制，發送端需要實現數據分塊，接收端進行數據重組，每一個分塊的傳輸都要經過一來一回進行確認，增加傳輸時間，并且要實現復雜的差錯控制和重傳機制。第二，通信雙方需要更大的內存開銷，下位機的內存空間和功耗指標都難以支持。

方法二，用設備命令實現，利用協議擴展字段，將大數據在一幀里面傳輸。這樣的好處是，算法簡單，通用命令、普通命令和命令都使用相同的處理機制，節省內存，并且速度更快。

3擴展方案

對命令增加兩個擴展字節，個字節用于存放幀長度的高8位，幀長度的低8位仍然在HART幀的長度指示字節傳輸；因此，理論上擴展后的HART幀可以傳輸65536個字節數據。另一個擴展字節傳輸頭校驗，即定界符、命令號、擴展字節、幀長度字段按字節異或的結果值，這個校驗主要的作用是確保收到正確的幀長度指示，并且使得本設備的命令不與其他儀表的命令混淆。

擴展后的幀格式如下：

定界符的b6b5為10，指示使用了2個擴展字節，命令號在命令的128~255中選擇。

4HART通信程序實現框圖

HT20C15在空閑時處于解調狀態，當有數據到來時，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才進行處理，以便確認幀長度指示正確，并且是本設備的命令，否則忽略該命令。在提取幀長度時，命令需要計算在擴展字節中傳輸的高8位，其他處理與通用命令和普通命令相同。由于HART協議采用半雙工通信，并且是固定速率，程序引入了超時機制，使通信更加可靠。圖2是接收程序流程圖。

5性能測試

按照圖3的連接，二線雷達物位計分別與上位機和手操器進行了連接測試，手操器為Emerson公司的375 Field Communicator，測試過程中檢驗了程序實現的所有通用命令和普通命令，通信穩定可靠，反復進行斷線/重連測試，下位機能正常通信。物位計與配套開發的上位機進行連接測試時，須經過HARI/RS232雙向轉換器，上位機是一臺運行監控軟件的PC機。測試表明，通過上位機設置物位計參數、設置讀取映射曲線、顯示回波曲線等操作都能順暢進行，*符合設計指標。

6結論

HART協議在工業控制領域具有廣泛的應用，隨著智能儀表的功能變得越來越復雜，對通信總線的要求也越來越高，本文介紹的HART協議應用方案在二線雷達物位計中獲得了良好應用。對于其他智能儀表的設計，該方案也可以作為參考。

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