hart通訊協(xié)議及應(yīng)用

1、0.引言很多年以來,420信號(hào)一直成為現(xiàn)場儀表信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn),在過程自動(dòng)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(hào)。1989年首先制訂了高速可尋址遠(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(duì)協(xié)議的日益需求,在1993年成立通訊基金會(huì)。基金會(huì)是一個(gè)獨(dú)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(jí)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),登記注冊(cè)會(huì)員、提供對(duì)應(yīng)用技術(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%的智能儀表采用了協(xié)議,主要的儀表供應(yīng)廠商都提供支持協(xié)議的智能儀表,如、等儀表制造商。專家預(yù)測到2000年約有75%的

2、智能儀表支持協(xié)議,開發(fā)符合協(xié)議的新類型儀表和制造廠商正持續(xù)快速增長。1.協(xié)議協(xié)議采用在420模擬信號(hào)上疊加音頻數(shù)字信號(hào)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(hào)的大小,保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。協(xié)議遵循制訂的開放式系統(tǒng)互連參考模型,采用了模型的第一層、第二層和第七層,即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。用戶層應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層物理層應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層物理層物理傳輸介質(zhì)通訊協(xié)議模型1.1物理層物理層規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法、傳輸介質(zhì),信號(hào)傳輸是基于202通訊標(biāo)準(zhǔn),采用(頻移鍵控)方法,數(shù)字信號(hào)的傳送波特率設(shè)定為1200/,數(shù)字信號(hào)“0”和“1”分別用1200和2200的正弦波表示,這些頻率的正弦波疊

3、加在模擬信號(hào)上一起傳送,如上圖所示。由于信號(hào)平均值為零,對(duì)模擬信號(hào)不會(huì)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(shí),最大傳輸距離可達(dá)到3000。1.2 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了幀的格式,實(shí)現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通訊功能,協(xié)議根據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息,采用自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)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(cuò),實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無差錯(cuò)傳送。(1) 幀協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)通訊按幀的格式傳送,幀由鏈路同步信息、尋址信息、用戶數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)和組成,幀又被分為請(qǐng)求幀、應(yīng)答幀和陣發(fā)幀。請(qǐng)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)。鏈路同步碼定界符地址命令號(hào)字節(jié)長度數(shù)據(jù)字節(jié)校驗(yàn)和鏈路

4、同步碼定界符地址命令號(hào)字節(jié)長度響應(yīng)碼數(shù)據(jù)字節(jié)校驗(yàn)和請(qǐng)求幀/應(yīng)答幀格式鏈路同步碼:協(xié)議采用2到20個(gè)十六進(jìn)制的“”字節(jié)作為接收設(shè)備的同步信息,主設(shè)備或控制系統(tǒng)可通過鏈路層管理命令設(shè)定同步字節(jié)個(gè)數(shù)。定界符:表示幀的開始,定義了幀的類型及尋址格式。根據(jù)定界符的低3位210可以把幀分為請(qǐng)求幀、應(yīng)答幀和陣發(fā)幀。根據(jù)定界符的最高位7可以把幀尋址信息分為長格式和短格式,如表1所示。幀類型長 幀7=1短 幀7=0陣發(fā)幀0x810x1請(qǐng)求幀0x820x2應(yīng)答幀0x860x6地址:短格式地址長度為一個(gè)字節(jié),低4位3210表示從設(shè)備的地址號(hào),協(xié)議規(guī)定了地址號(hào)的范圍為015,在總線上最多只能掛15臺(tái)變送器。長格式地址

5、長度為五個(gè)字節(jié),由第一字節(jié)的低6位及其后連續(xù)四個(gè)字節(jié)共38位構(gòu)成,由儀表唯一標(biāo)識(shí)碼的低38位表示,由6位儀表制造廠商標(biāo)識(shí)代號(hào),8位儀表類型代碼及24位儀表序列號(hào)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。地址第一字節(jié)的最高位7表示主設(shè)備地址位,7=1時(shí)表示第一主設(shè)備;7=0時(shí)表示第二主設(shè)備,如:手持器。第一字節(jié)的6位表示現(xiàn)場儀表的陣發(fā)允許位,6=1時(shí)表示現(xiàn)場儀表允許陣發(fā);6=0時(shí)表示現(xiàn)場儀表不允許陣發(fā),協(xié)議規(guī)定在總線上只允許一臺(tái)變送器以陣發(fā)方式通訊。命令號(hào):表示現(xiàn)場儀表所要執(zhí)行的功能,命令號(hào)的有效范圍為

6、0255。字節(jié)長度:表示后續(xù)數(shù)據(jù)的長度,表示幀的結(jié)束位置。響應(yīng)碼:應(yīng)答幀包含長度為兩個(gè)字節(jié)的響應(yīng)字,第一字節(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)7=1時(shí),數(shù)據(jù)通訊出錯(cuò),后續(xù)位代表了錯(cuò)誤類型,如:奇/偶校驗(yàn)錯(cuò),水平校驗(yàn)和錯(cuò),數(shù)據(jù)幀錯(cuò)等;當(dāng)7=0時(shí),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(cuò),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(yàn)和:表示從定界符開始對(duì)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(cuò)傳送。(2) 幀編碼幀以8位為一字節(jié)進(jìn)行編碼,對(duì)每一

7、字節(jié)加上起始位,奇/偶校驗(yàn)位及1位停止位共11位傳送,保證了對(duì)每個(gè)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)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(diǎn)可以訪問鏈路,而是采用設(shè)定定時(shí)器時(shí)間常數(shù)保證所掛設(shè)備能夠訪問鏈路。 協(xié)議把鏈路上所掛設(shè)備分為三類:第一類為第一主設(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(qǐng)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(qǐng)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),協(xié)議把陣發(fā)功能作為現(xiàn)場儀表的一種可選功能,設(shè)備聯(lián)接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如下圖所示。通常協(xié)議按主/從方

8、式通訊,通訊由主設(shè)備發(fā)起,從設(shè)備先“聽”后“答”,第一主設(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(shí)時(shí)間常數(shù)以防止“死鎖”,避免兩個(gè)主設(shè)備同時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí),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。1.3 應(yīng)用層應(yīng)用層執(zhí)行主設(shè)備所請(qǐng)求的命令,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

9、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(shí)現(xiàn)的特殊功能,如:傳感器特征化、過程積算、運(yùn)算實(shí)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(hào),儀表的硬件、軟件版本號(hào),工位號(hào),裝配號(hào),描述符(如說明儀表的安裝位置),日期(如校驗(yàn)、安裝維護(hù)時(shí)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(duì)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(gè)變量數(shù)值;讀取傳感器信息如:傳感器序列號(hào),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(diǎn)和量程,設(shè)定變量的阻尼時(shí)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(duì)模擬電流輸出零點(diǎn)和增益微調(diào),儀表自診斷、自校正等。1.4 設(shè)備描述()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: