自動化裝置-FCS3-HART

1、 H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議簡簡介介 H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議 H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議層層次次結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議物物理理層層 H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)鏈鏈路路層層 H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議應(yīng)應(yīng)用用層層 H HA AR RT T協(xié)協(xié) 議議 層層 次次 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu) H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議物物理理層層 基于Bell 202通訊標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控FSK技術(shù)。 它在420mA的模擬信號上疊加幅度為0.5mA的 正弦電流調(diào)制波信號。 由于正弦信號的平均值為0，所以HART通訊協(xié)議雖然 有0.5mA信號調(diào)制于420mA信號之上，卻

2、不影響 420mA的平均值。音頻數(shù)字信號1200bps在HART協(xié)議通信中，主要的變量和控制信息由420mA傳送，其它的測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。HART采用雙向數(shù)字通訊。通信采用的是半雙工的通信方式。HART網(wǎng)絡(luò)中的三類設(shè)備：現(xiàn)場設(shè)備對主設(shè)備發(fā)出的命令進(jìn)行響應(yīng)。分為從設(shè)備和成組模式設(shè)備基本主設(shè)備與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通訊的主要設(shè)備。副主設(shè)備主設(shè)備的輔助者。HART網(wǎng)絡(luò)硬件分類：信號發(fā)生單元基本主設(shè)備、副主設(shè)備、現(xiàn)場設(shè)備非信號發(fā)生單元模擬控制器、電纜、電源、隔離柵、接線板等。HART網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：用一對雙絞線將各種設(shè)備連接起來?；局髟O(shè)備或模擬控制器，信號發(fā)生單元可

3、接到網(wǎng)絡(luò)的任何位置，現(xiàn)場儀表和副主設(shè)備并聯(lián)到線路。網(wǎng)絡(luò)至少需要一個基本主設(shè)備或模擬控制器和一個現(xiàn)場儀表。 HARTHART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層 HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu) 字節(jié)格式 數(shù)據(jù)幀格式 差錯校驗(yàn) HART協(xié)議的兩種通訊模式 主從模式（master-slave mode） 突發(fā)（猝發(fā)）模式(burst mode)成組模式HART數(shù)據(jù)幀是以異步方式傳送的串行字節(jié)序列。用載波方式進(jìn)行信號傳輸。采用前導(dǎo)信號進(jìn)行通訊的同步。 字節(jié)字節(jié)(byte)(byte) 格式格式 1bit 起始位 8bit 數(shù)據(jù) 1bit 奇偶校驗(yàn)位 1bit 停止位 H HA AR RT T數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)幀幀的的格格式式

4、前導(dǎo)碼FF FF 差錯校驗(yàn)差錯校驗(yàn) HART通信的數(shù)據(jù)差錯校驗(yàn)采用 水平和垂直（縱橫）校驗(yàn)法。即：每個字節(jié)字節(jié)有奇偶校驗(yàn)（垂直校驗(yàn)）,一個完整的完整的HARTHART數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)還用一個字節(jié)進(jìn)行長度方向的奇偶校驗(yàn)（水平校驗(yàn)）。水平校驗(yàn)垂直校驗(yàn)HART校驗(yàn)方式：垂直水平奇偶校驗(yàn)HART數(shù)據(jù)幀短幀數(shù)據(jù)鏈路層使用的命令低4位1成組模式1主設(shè)備0-副主設(shè)備從定界符描述傳送結(jié)果的信息。表示通訊成功，出錯決定了長短幀,幀類型HART數(shù)據(jù)幀長幀 HARTHART數(shù)據(jù)舉例數(shù)據(jù)舉例 是主設(shè)備向現(xiàn)場從設(shè)備發(fā)出的讀過程變量的命令。是現(xiàn)場從設(shè)備收到信號后將過程變量發(fā)向主設(shè)備的數(shù)據(jù)。 HARTHART協(xié)議的主從通訊模式協(xié)議

5、的主從通訊模式 每次通信都是主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)出命令， 而從設(shè)備予以回答。 對于典型的幀長度和延遲，這種方式 每秒鐘可以完成兩次數(shù)據(jù)幀傳輸。 系統(tǒng)允許有兩臺主設(shè)備，并被分為： 一級主設(shè)備（primary master） 和二級主設(shè)備(secondary master)。 一級主設(shè)備通常是監(jiān)控PC機(jī)或控制室設(shè)備; 二級主設(shè)備通常是手持編程器。 H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議的的主主從從通通訊訊模模式式 從設(shè)備可尋址范圍是015。 在非本安情況下，從設(shè)備最多可有15臺。 在本安情況下，由于線路電流能量限制， 從設(shè)備最多只能有4臺。 當(dāng)從設(shè)備地址為0時，為點(diǎn)對點(diǎn)模式， HART智能變送器處于420m

6、A與數(shù)字通 信兼容的狀態(tài)。 當(dāng)從設(shè)備地址為115時，為多點(diǎn)或多站模 式，HART智能變送器處于全數(shù)字通信狀態(tài)。 H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議的的突突發(fā)發(fā)（猝猝發(fā)發(fā)）通通訊訊模模式式 無需主設(shè)備發(fā)出請求，而從設(shè)備自動地連續(xù) 發(fā)出數(shù)據(jù)。 從設(shè)備突發(fā)模式的啟動和終止，由主設(shè)備通 過命令來控制的。 突發(fā)方式的數(shù)據(jù)幀傳輸速率較快，可提高到 每秒3.7次。 無論是“點(diǎn)對點(diǎn)”的連接方式, 還是“多點(diǎn)” 的連接方式，通常只能有一臺現(xiàn)場從設(shè)備可 以使用突發(fā)通信模式。 H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議應(yīng)應(yīng)用用層層 HART協(xié)議應(yīng)用層是建立在HART命令基礎(chǔ)上的。 Smart從設(shè)備根據(jù)這些命令可以辨別對方信息

7、的含義。 這些命令分為三類， 通通用用命命令令(Universal commands)， 對應(yīng)的命令代碼范圍是030； 常常用用命命令令(common-practice commands), 對應(yīng)的命令代碼范圍是32126; 專專用用命命令令(Device -Specific commands), 對應(yīng)的命令代碼范圍是128253。 常用命令常用命令第二類命令對大多數(shù)Smart設(shè)備適用,但不要求完全一樣。它用于常用的操作,如寫阻尼常數(shù)、標(biāo)定、寫過程變量單位等等。 專專用用命命令令第三類命令是針對每種具體設(shè)備的特殊性而設(shè)立的,因而它完全不要求統(tǒng)一。例如SMAR公司的壓力變送器LD301具有PID

8、運(yùn)算功能的有關(guān)命令，其它沒有這一功能的變送器就不具備。 HARTHART三類命令適應(yīng)等級三類命令適應(yīng)等級 +2. COMMAND #1 READ PRIMARY VARIABLE+Read the Primary Variable. The Primary Variable is returned in floating point format.+3. COMMAND #2 READ P. V. CURRENT AND PERCENT OF RANGE+Reads the Primary Variable as Current and a percent of the Primary Var

9、iable Range. The Primary Variable Current always matches the Analog Output current of the device including alarm conditions and set values. Percent of Range always follows the Primary Variable, even if the Primary Variable Current is in an alarm condition or set to a value. Also, the Percent of Rang

10、e is not limited to values between 0% and 100%, but tracks the Primary Variable beyond the Range Values to the Sensor Limits when they are defined.+4. COMMAND #3 READ DYNAMIC VARIABLES AND P. V. CURRENT+Read the Primary Variable Current and up to four predefined Dynamic Variables. The Primary+Variab

11、le Current always matches the Analog Output current of the device including alarm+conditions and set values. The Secondary, Tertiary, and 4th Variables are defined by each device+type (e.g. the Secondary Variable is the Sensor Temperature for the 3051 Pressure Transmitter).+主機(jī)到從機(jī) FFFF FFFF FFFF FFFF

12、 FFFF 8282 A6A6 0606 BCBC 6161 4E4E 0101 0000 B0B0+上面是主機(jī)到從機(jī)發(fā)送的一條消息。前5個字節(jié)值都為FF，顯然他是導(dǎo)言字節(jié)。接著的82起始字節(jié)，表示主機(jī)到從機(jī)發(fā)出的長結(jié)構(gòu)的消息。后5個字節(jié) “A6，06，BC，61，4E”是地址字節(jié)化為二進(jìn)制表示如下： +A6 06 BC 61 4E +1010 0110 0000 0110 1011 1100 0110 0001 0100 1110+可見首字節(jié)A6的最高位為1表示主機(jī)，次高位為0表示非突發(fā)模式，后面的38 b表示設(shè)備的惟一標(biāo)號： “100110”是生產(chǎn)廠家代碼，值為38，是Rosemount公

13、司的代碼；后一字節(jié)06是設(shè)備型號代碼，06代表的型號是3051C；后面的3個字節(jié)是設(shè)備識別號，本例中的值為12345678；再接下來的01是命令字節(jié)，表示1號命令，即讀取PV值+例例3 3：突發(fā)模式：突發(fā)模式 FF FF FF FF FF 81 53 03 04 E6 D7 03 1A 00 60 41 3F A0 00 27 41 3F A0 00 39 42 47 60 00 06 BF 06 60 00 39 41 95 00 00 D4上面是突發(fā)模式發(fā)出的一條消息。第1個字節(jié)81表示突發(fā)的長結(jié)構(gòu)模式，與前例中相似的地方我們不再介紹。注意到狀態(tài)字節(jié)“00 60”后的字節(jié)“41 3FA00

14、0”，他表示的是當(dāng)前的電流值，計算后是11976 6；后面的27表示單位mA，像后面的39表示“”一樣。數(shù)據(jù)字節(jié)中的“42 47 60 00”，“BF06 60 00”，“41 95 0000”分別表示“SV”，“TV”，“FV H HA AR RT T通通訊訊協(xié)協(xié)議議的的應(yīng)應(yīng)用用 H HA AR RT T通通訊訊協(xié)協(xié)議議的的應(yīng)應(yīng)用用分分類類 第一類：數(shù)字通訊與420mA并存 第二類：全數(shù)字通訊,又分為 “點(diǎn)對點(diǎn)”與“多站”結(jié)構(gòu) 采采用用H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議的的智智能能變變送送器器應(yīng)應(yīng)用用舉舉例例 用PC機(jī)和HART智能變送器構(gòu)成微型DCS 智能變送器模擬使用時與手持編程器智能變送

15、器模擬使用時與手持編程器(HHT)(HHT)通訊通訊 采采用用H HA AR RT T協(xié)協(xié)議議的的智智能能變變送送器器應(yīng)應(yīng)用用舉舉例例 接口PC機(jī)用LD/TT301構(gòu)成一種微型DCS系統(tǒng)電源LD301 流量PID調(diào)節(jié) 壓力PID調(diào)節(jié) 溫度PID調(diào)節(jié)重量(或其它RV信號) PID調(diào)節(jié)HARTH HA AR RT T智智能能變變送送器器的的開開發(fā)發(fā) 開開發(fā)發(fā)準(zhǔn)準(zhǔn)備備 原原理理框框圖圖 硬硬件件設(shè)設(shè)計計 軟軟件件設(shè)設(shè)計計 產(chǎn)產(chǎn)品品測測試試 開發(fā)準(zhǔn)備工作開發(fā)準(zhǔn)備工作 HART Protocol Specification MODEM Chip Smar Research HT2012 LSI Logi

16、c SYM20C15 Development Tools host testing application bus analyzer HART Training Membership of HCF HARTHART智能變送器原理框圖智能變送器原理框圖 被測參數(shù)信號調(diào)理調(diào)理電路A/D單片機(jī) D/AMODEM敏感元件輸入/輸出級測量輸出2線4-20mA的電流環(huán),通過一對雙絞線既向模塊供電,又傳輸信號. 硬硬件件設(shè)設(shè)計計 主主要要難難點(diǎn)點(diǎn) 由于HART數(shù)字信號的要求，有0.5mA的正 弦波電流信號疊加在4mA電流上，所以整 個HART智能變送器的硬件電路必須保證在 3.5mA的工作電流下還能正常工作

17、。 因此，硬件設(shè)計除考慮功能和技術(shù)指標(biāo)外 ，重點(diǎn)要放在功耗上，當(dāng)然價格也是一個 不容忽視的因素。 芯芯片片選選擇擇 A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)，D/A轉(zhuǎn)換器，MODEM等 A/DA/D轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換器芯片AD7715AD7715 分辨率：16位，非線性：0.0015% 內(nèi)部增益可編程放大器 單、雙極性信號輸入選擇 三線串行接口 CMOS工藝、低功耗，工作電流僅為450A 尺寸小、16腳DIP（雙列直插）封裝 +5V單電源供電 單單片片機(jī)機(jī)選選擇擇 選選擇擇要要求求：微功耗、計算能力強(qiáng)、 外圍電路簡單、編程 簡單、體積小。 完完成成工工作作：A/D、D/A轉(zhuǎn)換，線性 化計算，量程轉(zhuǎn)換， 阻尼處理、工程

18、量轉(zhuǎn)換， 串行通信，復(fù)雜時，還 需要PID運(yùn)算等。 推推薦薦芯芯片片： PIC58B、80C51XAMSP430 PIC58BPIC58B單片機(jī)單片機(jī) Microchip公司生產(chǎn) BASIC語言，編程簡單 晶振速度適應(yīng)性寬，低頻下工作，功耗特低500KHz時，電流僅為0.5mA，執(zhí)行速度：500條BASIC語句/每秒 外圍接口電路簡單 D/A D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器MAX538MAX538 微功耗、電流只有140A 分辨率：12位 三線串行方式接口 +5V單電源供電 8腳DIP封裝 M MO OD DE EM M H HT T2 20 01 12 2 Smar公司專為HART產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn) 功耗低，+5V供電，電流只有80A 16腳DIP封裝1.通信芯片SMAR公司生產(chǎn)的HT2012為貝爾202標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)CMOS微功耗FSK調(diào)制解調(diào)器。它是為設(shè)計過程控制儀器檢測和其他的低功率裝備中提供HART通信功能的專用芯片。HT2012由4個主要功能模塊組成：時鐘頻率、解調(diào)器、調(diào)制器、載波檢測。HT20l2需要460.8kHz外時鐘輸入，35V供電，低功耗（典型值40A）HT2012調(diào)制解調(diào)器是半雙工工作。當(dāng)一個運(yùn)轉(zhuǎn)時，調(diào)制器和解調(diào)器中的另