摘要:介绍了HART协议在二线雷达物位计中的应用方案。利用HART协议的专用命令和扩展功能实现了回波曲线等长数据的可靠传输。实际应用表明此方案方便有效,具有良好的应用价值。

1 HART通信协议简介

HART通信协议是由HART通信基金会(HCF)发布的一种兼容4~20mA信号的总线协议。目前得到行业内大多数全球知名公司的支持,广泛应用于智能仪表行业中,据统计,全球有2/3以上的智能仪表采用了HART协议。

HART协议参照OSI架构,使用了其中的物理层、链路层和应用层。

1.1物理层

采用Bell202通信标准的FSK调制,波特率固定为1200bps,逻辑1以1200Hz表示,逻辑0以2200Hz表示。

1.2链路层

每个字节包括1位起始位、8位数据、1位奇校验和1位停止位。数据帧格式如下:

image.png

*地址:设备地址(1或5字节),由定界符的b7指定

*扩展字节:0~3字节,由定界符的b6b5指定

*命令号:1字节,指示具体命令

*字节计数:1字节,指示数据段的字节长度

*校验字节:1字节,从定界符到数据段所有字节的异或和。

1.3应用层

定义了基于命令号的命令集。每条命令规定了不同的读/写操作。命令集包含三类命令:

通用命令(Universal Commands):命令号为0~31,所有HART设备必须实现全部的通用命令。

普通命令(Common Practice Commands):命令号为32~127,提供了大多数现场设备的常用操作。厂商可以选择使用其中的部分或全部命令。

专用命令(Device SpecificCommands):命令号为128~255,针对具体设备的特殊性而设立,由厂商定义命令的具体操作。

2HART协议在二线雷达物位计

的应用

雷达物位计是基于调频连续波原理(FMCW Fre-

quency Modulated Continuous Wave)设计的。使用线性调频高频信号,发射频率随一定的时间间隔线性增加。由于发射频率是随着时间变化的,经被测物体反射回来的接收频率与发射频率之间的差值Af就与被测物体的距离成比例,因此通过计算Af就能获得被测物体与天线之间的距离。

在二线雷达物位计的设计中采用了HART6总线解决方案。主要设计指标如下:

*可与任何支持HART协议的手操器或控制系统互连;

*采用二线制,电源为+24V直流电源,直流输出电流要求达到3.55~22mA范围;

*通过键盘、上位机或手操器设定标签、零点、量程、输出电流、单位、轮询号和阻尼时间等;

*通过下位机的液晶显示屏或者上位机能查看回波曲线、包络线、历史记录,通过上位机设置和读取非线性映射曲线;

*通过上位机或手操器进行仿真,以及设置和备份组态;

*与上位机、手操器点对点通信,或者多点(Mul-tidrop)组网;

*支持中文和英文切换。

*支持中文和英文切换。

系统实现的难点是在低功耗条件下实现稳定运行和可靠通信。硬件使用3V电源,全部采用低功耗器件。传感器由射频天线和射频处理板构成,负责射频信号的发射接收和自相关计算;EEPROM用于保存组态参数和历史数据;外部RAM存放字库、曲线等大数据;CPU负责回波数据处理算法、键盘控制、显示控制、电源管理以及通信接口等功能,CPU与EEPROM、键盘和液晶显示控制器之间采用I2C总线通信。

HART信号的调制和解调采用HT20C15PL芯片实现。

图1是系统原理框图。

image.png

软件上则需要进行严格的电源控制,对空闲状态的硬件模块停止供电。数据处理算法、功能菜单和LCD显示等模块的程序实现都要求尽量简捷合理,严格控制RAM的使用空间。

通信接口固定使用被动方式,只有在接收到命令时才做出响应。HART协议模块实现了HART6协议中提供的全部通用命令以及部分普通命令。此外,协议模块还使用了若干专用命令来传输回波曲线、包络线、映射曲线等数据,这些数据的长度都在几百至几千字节。由于HART帧的长度指示只有一个字节,最多只能支持255个字节传输,因此必须考虑用其他方法解决。

方法一,利用协议提供的块数据传输(Block Data Transfer)命令111和命令112,将大数据分成若干个小块,分别编号后逐个传输。这样做的缺点是显而易见的,第一,需要另外实现复杂的传输层控制,发送端需要实现数据分块,接收端进行数据重组,每一个分块的传输都要经过一来一回进行确认,增加传输时间,并且要实现复杂的差错控制和重传机制。第二,通信双方需要更大的内存开销,下位机的内存空间和功耗指标都难以支持。

方法二,用设备专用命令实现,利用协议扩展字段,将大数据在一帧里面传输。这样的好处是,算法简单,通用命令、普通命令和专用命令都使用相同的处理机制,节省内存,并且速度更快。

3扩展方案

对专用命令增加两个扩展字节,第一个字节用于存放帧长度的高8位,帧长度的低8位仍然在HART帧的长度指示字节传输;因此,理论上扩展后的HART帧可以传输65536个字节数据。另一个扩展字节传输头校验,即定界符、命令号、扩展字节、帧长度字段按字节异或的结果值,这个校验主要的作用是确保收到正确的帧长度指示,并且使得本设备的专用命令不与其他仪表的专用命令混淆。

扩展后的帧格式如下:

image.png

定界符的b6b5为10,指示使用了2个扩展字节,命令号在专用命令的128~255中选择。

4HART通信程序实现框图

image.png

HT20C15在空闲时处于解调状态,当有数据到来时,如果地址匹配,则判断是否专用命令,如果是专用命令则必须通过头校验才进行处理,以便确认帧长度指示正确,并且是本设备的专用命令,否则忽略该命令。在提取帧长度时,专用命令需要计算在扩展字节中传输的高8位,其他处理与通用命令和普通命令相同。由于HART协议采用半双工通信,并且是固定速率,程序引入了超时机制,使通信更加可靠。图2是接收程序流程图。

5性能测试

按照图3的连接,二线雷达物位计分别与上位机和手操器进行了连接测试,手操器为Emerson公司的375 Field Communicator,测试过程中检验了程序实现的所有通用命令和普通命令,通信稳定可靠,反复进行断线/重连测试,下位机能正常通信。物位计与配套开发的上位机进行连接测试时,须经过HARI/RS232双向转换器,上位机是一台运行监控软件的PC机。测试表明,通过上位机设置物位计参数、设置读取映射曲线、显示回波曲线等操作都能顺畅进行,完全符合设计指标。

image.png

6结论

HART协议在工业控制领域具有广泛的应用,随着智能仪表的功能变得越来越复杂,对通信总线的要求也越来越高,本文介绍的HART协议应用方案在二线雷达物位计中获得了良好应用。对于其他智能仪表的设计,该方案也可以作为参考。


上一篇:URT雷达物位计在海化纯碱厂的应用 下一篇:【公告】上海佑富实业有限公司改名佑富(上海)智能传感技术有限公司
查看更多+ 推荐产品Recommended products
    RM系列射频电容物位开关由传感探杆、电子测探单元和防护外壳组成,是根据射频导纳测量原理制造的点…..
    查看详细 >>
    产品介绍佑富PH平衡流量计采用独特的等雷诺数、增加节流件厚度和加工精度,使流动性能接近文丘里,…..
    查看详细 >>
    产品介绍孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器(或差压变送器、温度变送器及压力变送器)配套…..
    查看详细 >>
    V锥流量计是一款用于液位、蒸汽介质的流量测量,选型时需要知道测量介质、温度、压力、量程、安装…..
    查看详细 >>
    产品介绍RM系列射频导纳物位开关是一种反相频移式电容物位开关,它带有可选杆/缆式和可配置输出。…..
    查看详细 >>
    产品介绍UW高温阻旋料位开关是一种机械式阻旋式物位开关,用于粉末和颗粒状固体的物位检测。产品性…..
    查看详细 >>
    产品介绍URT系列的2线制脉冲雷达物位变送器,用于储罐或过程罐中液体、浆体和固体的连续物位测量,…..
    查看详细 >>
    产品介绍近年来随着市场经济的不断发展和生产管理的需要,完善的远程监控系统正日益受到广泛的重视…..
    查看详细 >>
    产品介绍在线PH计在保证性能的基础上简化了功能,从而具有了特别强的价格优势。..
    查看详细 >>
    产品介绍金属转子流量计,是变面积式流量计的一种 , 在一根由下向上扩大的垂直锥管中 , 圆形横截面…..
    查看详细 >>
    产品介绍涡轮流量计主要用于测量及现场显示封闭工业管道中液体、气体的流量和总量。也可做标准仪表…..
    查看详细 >>
    产品介绍涡街流量计是根据卡门(Karman)涡街原理研究生产的测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况…..
    查看详细 >>