HART協(xié)議的應(yīng)用我們介紹了不少。這里我們來分析一下它的基本參數(shù)，以及各個網(wǎng)絡(luò)層次中的結(jié)構(gòu)。其中的數(shù)據(jù)鏈路層的幀結(jié)構(gòu)是一個重點。望大家能夠重視這部分內(nèi)容。很多年以來,4~20mA信號一直成為現(xiàn)場儀表信號傳輸標(biāo)準(zhǔn),在過程自動化設(shè)備之間信息通信受到了極大的限制,僅能得到與過程變量成正比的電流信號｡1989年Rosemount首先制訂了HART高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器協(xié)議,引起了現(xiàn)場儀表通訊標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)革命,在工業(yè)過程中作為現(xiàn)場智能儀表數(shù)字通訊標(biāo)準(zhǔn)廣為應(yīng)用｡為滿足工業(yè)過程對HART協(xié)議的日益需求,在1993年成立HART通訊基金會｡HART基金會是一個獨立的､非盈利機(jī)構(gòu),它的主要職責(zé)是制訂､維護(hù)及升級HART協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),登記注冊會員､提供對應(yīng)用HART技術(shù)在全球范圍內(nèi)的技術(shù)支持和培訓(xùn)｡目前,世界上已有60%的智能儀表采用了HART協(xié)議,主要的儀表供應(yīng)廠商都提供支持HART協(xié)議的智能儀表,如HONEYWELL､FOXBORO､ABB､E&H､SMAR等儀表制造商｡專家預(yù)測到2000年約有75%的智能儀表支持HART協(xié)議,開發(fā)符合HART協(xié)議的新類型儀表和制造廠商正持續(xù)快速增長｡

HART協(xié)議

HART協(xié)議采用在4~20mA模擬信號上疊加音頻數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通訊,而不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小,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,采用了OSI模型的***層､第二層和第七層,即物理層､數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層｡

物理層

物理層規(guī)定了信號的傳輸方法､傳輸介質(zhì),HART信號傳輸是基于BELL202通訊標(biāo)準(zhǔn),采用FSK(頻移鍵控)方法,數(shù)字信號的傳送波特率設(shè)定為1200b/s,數(shù)字信號“0"和“1"分別用1200Hz和2200Hz的正弦波表示,這些頻率的正弦波疊加在模擬信號上一起傳送｡由于FSK信號平均值為零,對模擬信號不會產(chǎn)生任何影響｡通常采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質(zhì)時,***傳輸距離可達(dá)到3000m｡

數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了HART幀的格式,實現(xiàn)建立､維護(hù)､終結(jié)鏈路通訊功能,HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯碼信息,采用自動重復(fù)請求發(fā)送機(jī)制,消除由于線路噪音或其它干擾引起的數(shù)據(jù)通訊出錯,實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯傳送｡

(1) HART幀

HART協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)通訊按幀的格式傳送,HART幀由鏈路同步信息､尋址信息､用戶數(shù)據(jù)以及校驗和組成,HART幀又被分為請求幀､應(yīng)答幀和陣發(fā)幀｡請求幀和應(yīng)答幀的主要差別在于應(yīng)答幀包含了數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)和變送器的工作狀態(tài)｡

地址:短格式地址長度為一個字節(jié),低4位b3b2b1b0表示從設(shè)備的地址號,HART協(xié)議規(guī)定了地址號的范圍為0~15,在總線上最多只能掛15臺變送器｡長格式地址長度為五個字節(jié),由***字節(jié)的低6位及其后連續(xù)四個字節(jié)共38位構(gòu)成,由儀表唯一標(biāo)識碼的低38位表示,由6位儀表制造廠商標(biāo)識代號,8位儀表類型代碼及24位儀表序列號組成｡使用長格式地址尋址,原理上在總線上所掛變送器的數(shù)量可以不受限制,可根據(jù)通訊掃描頻率､通訊介質(zhì)､功耗等決定在總線上所掛變送器的數(shù)量｡地址***字節(jié)的***位b7表示主設(shè)備地址位,b7=1時表示***主設(shè)備;b7=0時表示第二主設(shè)備,如:手持器｡***字節(jié)的b6位表示現(xiàn)場儀表的陣發(fā)允許位,b6=1時表示現(xiàn)場儀表允許陣發(fā);b6=0時表示現(xiàn)場儀表不允許陣發(fā),HART協(xié)議規(guī)定在總線上只允許一臺變送器以陣發(fā)方式通訊｡

命令號:表示現(xiàn)場儀表所要執(zhí)行的功能,命令號的有效范圍為0~255｡

字節(jié)長度:表示后續(xù)數(shù)據(jù)的長度,表示HART幀的結(jié)束位置｡

響應(yīng)碼:應(yīng)答幀包含長度為兩個字節(jié)的響應(yīng)字,***字節(jié)表示數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)及現(xiàn)場儀表命令執(zhí)行結(jié)果,當(dāng)b7=1時,數(shù)據(jù)通訊出錯,后續(xù)位代表了錯誤類型,如:奇/偶校驗錯,水平校驗和錯,數(shù)據(jù)幀錯等;當(dāng)b7=0時,表示現(xiàn)場儀表命令執(zhí)行結(jié)果狀態(tài),如:命令未執(zhí)行,命令執(zhí)行出錯,命令執(zhí)行警告｡第二字節(jié)表示現(xiàn)場儀表的工作狀態(tài),如:變量超限､模擬輸出飽和､儀表誤操作等,保證了現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)的可靠性及儀表工作的安全性｡

數(shù)據(jù)字節(jié):表示與命令相關(guān)的數(shù)據(jù)｡

校驗和:表示從定界符開始對所有字節(jié)進(jìn)行異或操作運(yùn)算,確保通訊數(shù)據(jù)無差錯傳送｡

(2)HART幀編碼

HART幀以8位為一字節(jié)進(jìn)行編碼,對每一字節(jié)加上起始位,奇/偶校驗位及1位停止位共11位傳送,保證了對每個字節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸同步｡

(3)數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)#p#

HART協(xié)議采用類似“令牌"方式訪問通訊鏈路,它不是在通訊鏈路上循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)令牌,只有得到令牌的站點可以訪問鏈路,而是采用設(shè)定定時器時間常數(shù)保證所掛設(shè)備能夠訪問鏈路｡

HART協(xié)議把鏈路上所掛設(shè)備分為三類:

***類為***主設(shè)備,如:控制系統(tǒng)和第二主設(shè)備,如:手持器;

第二類為從設(shè)備表示現(xiàn)場儀表按請求/應(yīng)答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊;

第三類為陣發(fā)設(shè)備表示現(xiàn)場儀表可以按請求/應(yīng)答方式數(shù)據(jù)通訊,還支持陣發(fā)功能以陣發(fā)方式周期性地廣播數(shù)據(jù),HART協(xié)議把陣發(fā)功能作為現(xiàn)場儀表的一種可選功能｡

通常HART協(xié)議按主/從方式通訊,通訊由主設(shè)備發(fā)起,從設(shè)備先“聽"后“答",***主設(shè)備和第二主設(shè)備以相同的優(yōu)先權(quán)輪流訪問通訊鏈路,但設(shè)定了不同的定時時間常數(shù)以防止“死鎖",避免兩個主設(shè)備同時訪問鏈路｡當(dāng)某一主設(shè)備通訊結(jié)束后,需要首先偵聽載波,等待一段時間以確保另一主設(shè)備能夠訪問通訊鏈路,若鏈路上有載波存在,該主設(shè)備放棄使用鏈路;若定時時間溢出,該主設(shè)備可以繼續(xù)訪問通訊鏈路｡當(dāng)通訊鏈路上存在陣發(fā)設(shè)備時,一主設(shè)備只有在陣發(fā)設(shè)備陣發(fā)給另一主設(shè)備通訊結(jié)束之后,方可訪問通訊鏈路｡

應(yīng)用層

應(yīng)用層執(zhí)行主設(shè)備所請求的命令,HART協(xié)議把命令分為通用命令､常用命令及專用命令,通用命令表示符合HART協(xié)議的現(xiàn)場儀表所必須執(zhí)行的功能,在一定程度上保證了現(xiàn)場儀表的互操作性,常用命令表示大多數(shù)現(xiàn)場儀表所執(zhí)行的功能,專用命令表示現(xiàn)場儀表所實現(xiàn)的特殊功能,如:傳感器特征化､過程積算､PID運(yùn)算實現(xiàn)就地控制｡按功能又可把命令分為現(xiàn)場儀表管理命令,儀表變量相關(guān)信息讀寫命令,操作方法相關(guān)命令｡

(1)現(xiàn)場儀表管理命令獲取現(xiàn)場儀表的管理信息,如:讀取儀表的制造廠商及設(shè)備型號,儀表的硬件､軟件版本號,工位號,裝配號,描述符(如說明儀表的安裝位置),日期(如校驗､安裝維護(hù)時間)｡儀表的輪詢地址等｡

(2)儀表變量相關(guān)信息讀寫命令按設(shè)定單位返回儀表檢測過程變量,輸出電流及百分?jǐn)?shù),對于多傳感器變送器,執(zhí)行一次通訊,主設(shè)備可以獲取至多4個變量數(shù)值;讀取傳感器信息如:傳感器序列號,單位代碼和極限值;讀取變量信息如:變量單位､變量運(yùn)算函數(shù)代碼､量程范圍和阻尼值,可以設(shè)定或校正變送器零點和量程,設(shè)定變量的阻尼時間常數(shù)及運(yùn)算方式如:線性運(yùn)算､平方運(yùn)算､開方運(yùn)算､按特定曲線進(jìn)行運(yùn)算處理等｡

(3)操作方法相關(guān)命令設(shè)定模擬電流固定輸出進(jìn)行回路測試,對模擬電流輸出零點和增益微調(diào),儀表自診斷､自校正等｡

設(shè)備描述(DD)

HART協(xié)議通用命令､常用命令在一定程度上保證了現(xiàn)場儀表的互操作性,設(shè)備描述DD詳細(xì)地描述了現(xiàn)場儀表的外部特性:變量,命令集,操作方法如:儀表校正､模擬輸出微調(diào)､變量關(guān)系､變量集合､人機(jī)界面等｡它相當(dāng)于OSI參考互聯(lián)模型的頂層“用戶層",在主設(shè)備中類似于設(shè)備驅(qū)動程序,真正地實現(xiàn)了儀表互操作性,同時DD解決了現(xiàn)場儀表與主設(shè)備開發(fā)的相互依賴關(guān)系,儀表更新?lián)Q代､新型儀表開發(fā)及主設(shè)備升級互不影響,主設(shè)備只需升級DD的版本或裝入新型DD,如同升級打印機(jī)驅(qū)動程序一樣簡單｡

首先開發(fā)人員應(yīng)詳細(xì)了解儀表特性,然后根據(jù)設(shè)備描述語言語法編寫DD源文件,并和標(biāo)準(zhǔn)DD一起編譯生成DD二進(jìn)制格式文件以供主設(shè)備或手持器如本公司代理的ViT 公司制造的 USB HART modem對其進(jìn)行組態(tài)。