【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 P， ProfibusFMS， ProfibusPA 組成了 Profibus 系列。 ProfibusPA（ Process Automation）用于過(guò)程自動(dòng)化的低速數(shù)據(jù)傳輸，其基本特征同 FF 的 H1 總線，可以提供總線供電和本質(zhì)安全，并得到了專用集成電路（ ASIC）和軟件的支持。 ProfibusPA 與ProfibusDP 兼容，基本特性同 FF 的 H2 總線，可實(shí)現(xiàn)高速傳輸，適用于分散的外部設(shè)備和自控設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。 ProfibusDP 型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。 ProfibusFMS 意為現(xiàn) 場(chǎng)信息規(guī)范，它適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等。 Profibus 是一種 相對(duì)而言 比較成熟的總線，在工程上的應(yīng)用十分廣泛。 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng) FF 總線： FF 總線是國(guó)際上幾家現(xiàn)場(chǎng)總線經(jīng)過(guò)激烈競(jìng)爭(zhēng)后形成的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，由現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)推出。與私有的網(wǎng)絡(luò)總線協(xié)議不同， FF 總線不附屬于任何一個(gè)企業(yè)或國(guó)家。 FF 總線體系結(jié)構(gòu)是以 OSI 開(kāi)放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為 FF 通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線還沒(méi)有成為現(xiàn)場(chǎng)總線的國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。但是，它在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛 支持，具有良好發(fā)展前景，并有望成為未來(lái)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)或過(guò)程控制市場(chǎng)的主要標(biāo)準(zhǔn)?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分低速 H1 和高速 H2 兩種通信速率。 H1 的傳輸速率為，通信距離達(dá) 1900m（加中繼器可延長(zhǎng)），支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境。 H2 的傳輸速率可為 1 Mbps 和 ，其通信距離分別為 750m 和 500m。物理傳輸介質(zhì)支持雙絞線、光纖和無(wú)線射頻。 CAN 總線： CAN 是控制局域網(wǎng)絡(luò)（ Control Area Network）的簡(jiǎn)稱，最早由德國(guó) Bosch 公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被 ISO 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 CAN 協(xié)議是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的 OSI 模型基礎(chǔ)上的，取用了 OSI 七層中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。 CAN 信號(hào)傳輸介質(zhì)有光纜、雙絞線等。通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km/5kbps。 CAN 的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的功能，使總線上其他節(jié)點(diǎn)及其通信不受干擾。目前，許多廠商將 CAN 總線應(yīng)用于工業(yè)及樓宇自動(dòng)化中一些實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合。 CAN總線目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在控制領(lǐng)域 [9]。 HART： HART 是 Highway Addressable Remote Transduer 的縮寫(xiě)，最早由 Rosemout 公司開(kāi)發(fā)并得到 80 多家著名公司的支持，于 1993 年成立了 HART 通信基金會(huì)。 HART 通信模型由 3 層組成，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。它規(guī)定了一系列命令，并按命令方式工作。它有 3 類命令：第一類為通用命令，這是所有設(shè)備理解、執(zhí)行的命令；第二類為一般行為命令，它所提供的功能可以在許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，包括最常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能庫(kù)；第三類為特殊設(shè)備命令，以便在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能，學(xué)士學(xué)位論文 11 這類命令既 可以在基金會(huì)中開(kāi)發(fā)使用，也可以為開(kāi)發(fā)此命令的公司所獨(dú)有。在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時(shí)存在這 3 類命令。 HART 支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式，總線上可掛設(shè)備數(shù)多達(dá) 15 個(gè)，最大傳輸距離為 3km[8]。 綜合以上各種總線的性能，考慮本系統(tǒng)的要求和性價(jià)比等因素，決定采用 HART 協(xié)議 作為溫控系統(tǒng)的通信總線。 HART協(xié)議 概述 HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議。 HART 裝置提供具有相對(duì)低的帶寬，適度響應(yīng)時(shí)間的通信，經(jīng)過(guò) 10 多年的發(fā)展， HART 技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)十分成熟 [11] [12]。 HART 協(xié)議采用基于 Bell202 標(biāo)準(zhǔn)的 FSK 頻移鍵控信號(hào)，在低頻的 420mA 模擬信號(hào)上疊加幅度為 的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為 。由于 FSK 信號(hào)的平均值為 0，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。在 HART 協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由 420mA 傳送，在需要的情況下，另外的測(cè)量、過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過(guò) HART 協(xié)議訪問(wèn) [13]。 HART 通信采用的是半雙 工的通信方式，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中過(guò)渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，得到了較快發(fā)展。HART 規(guī)定了一系列命令，按命令方式工作。它有三類命令，第一類稱為通用命令，這是所有設(shè)備都理解、都執(zhí)行的命令；第二類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（盡管不是全部）中實(shí)現(xiàn)，這類命令包括最常用的的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能庫(kù)；第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便于工作在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能，這類命令既可以在基金會(huì)中開(kāi)放使用，又可以為開(kāi)發(fā)此命令的公 司所獨(dú)有。在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時(shí)存在這三類命令。 HART 采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語(yǔ)言 DDL?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言來(lái)描述設(shè)備特性，由 HART 基金會(huì)負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典，主設(shè)備運(yùn)用 DDL 技術(shù)來(lái)理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開(kāi)發(fā)專用接口 。 HART協(xié)議 模型結(jié)構(gòu) HART 協(xié)議參考 ISO/OSI(開(kāi)放系統(tǒng)互連模型 )，采用了它的簡(jiǎn)化三層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。 第一層：物理層。規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法、傳輸介質(zhì)，為了實(shí)現(xiàn)模擬通信和數(shù)字通 信同時(shí)進(jìn)行而又互不干擾， HART 協(xié)議采用頻移鍵控技術(shù) FSK，即在 4～ 20mA 模擬信號(hào)上迭加一個(gè)頻率信號(hào)，頻率信號(hào)采用 學(xué)士學(xué)位論文 12 Be11202 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字信號(hào)的傳送波特率設(shè)定為 1200bps， 1200Hz 代表邏輯“ 1”， 2200Hz 代表邏輯“ 0”，信號(hào)幅值 。 通信介質(zhì)的選擇視傳輸距離長(zhǎng)短而定。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 1500ｍ。線路總阻抗應(yīng)在 230～ 1100Ω之間。 第二層：數(shù)據(jù)鏈路層。規(guī)定了 HART 幀的格式，實(shí)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(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他干擾引起的數(shù)據(jù)通訊出錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)無(wú)差錯(cuò)傳送。 現(xiàn)場(chǎng)儀表要執(zhí)行 HART 指令，操作數(shù)必須合乎指定的大小。每個(gè)獨(dú)立的字符包括 1 個(gè)起始位、 8 個(gè)數(shù)據(jù)位、 1 個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位。由于數(shù)據(jù)的有無(wú)和長(zhǎng)短并不恒定，所以 HART 數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度也是不一樣的，最長(zhǎng)的 HART 數(shù)據(jù)包含 25 個(gè)字節(jié)。 第 三 層：應(yīng)用層。為 HART 命令集，用于實(shí)現(xiàn) HART 指令。命令分為三類，即通用命令、普通命令和專用命令。 HART協(xié)議的實(shí)現(xiàn)分析 HART 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)模式 對(duì)于不同的應(yīng)用， HART 協(xié)議的主 設(shè)備和從設(shè)備可以組成兩種不同的網(wǎng)絡(luò)模式： 單點(diǎn)模式和多點(diǎn)模式。下面將分別分析這兩種網(wǎng)絡(luò)模式的特點(diǎn)。 HART 協(xié)議基本的一種網(wǎng)絡(luò)模式?！皢吸c(diǎn)”是指在 HART 網(wǎng)絡(luò)中只有一臺(tái)從設(shè)備存在（對(duì)于主設(shè)備的數(shù)量沒(méi)有限制，可以有一臺(tái)或兩臺(tái)主設(shè)備存在于網(wǎng)絡(luò)中），此從設(shè)備的輪詢地址被固定為 0。 HART 協(xié)議單點(diǎn)模式如 圖 21 所示。 圖 21 HART 協(xié)議單點(diǎn)模式圖 從設(shè)備第一主設(shè)備第二主設(shè)備電阻24 V 電源4 ~ 20 mA 電流環(huán)學(xué)士學(xué)位論文 13 單點(diǎn)模式是一種模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)兼容的模式，在此模式下數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)可以同時(shí)在總線上傳輸：傳統(tǒng)的 4～ 20mA 模擬信號(hào)仍然被用于傳輸一 個(gè)過(guò)程變量，而更多的過(guò)程變量、配置參數(shù)以及設(shè)備數(shù)據(jù)則是通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳輸 [13]。 2.“多點(diǎn)”是指在 HART 網(wǎng)絡(luò)中存在多于一臺(tái)從設(shè)備的情況（對(duì)于主設(shè)備的數(shù)量沒(méi)有限制，可以有一臺(tái)或兩臺(tái)主設(shè)備存在于網(wǎng)絡(luò)中）。在多點(diǎn)模式中，當(dāng)使用短幀格式時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上至多可以存在 15 臺(tái)從設(shè)備，對(duì)應(yīng)輪詢地址 1～ 15；當(dāng)使用長(zhǎng)幀格式時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上從設(shè)備的數(shù)量還可以增加，這時(shí)對(duì)從設(shè)備數(shù)量的限制主要來(lái)自 HART 網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載能力。在多點(diǎn)模式下，只能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)通訊，環(huán)路上的電流值被鎖定在固定值（通常為 4mA） [13]。 HART 協(xié)議多 點(diǎn)模式 如 圖 22 所示 。 圖 22 HART 協(xié)議 多點(diǎn)模式 圖 HART 協(xié)議定時(shí)分析 由前面的分析可知， HART 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是總線型的，任何時(shí)候在總線上只能有一個(gè)設(shè)備在發(fā)送信號(hào)。為了讓不同類型的設(shè)備在總線上能夠不受干擾的正常通訊， HART 協(xié)議提供了一套基于定時(shí)的鏈路仲裁機(jī)制。在本節(jié)中，首先介紹了 HART 協(xié)議規(guī)定的幾種定時(shí) 。 1. 字符時(shí)間 由前面的介紹可知， HART 協(xié)議數(shù)據(jù)幀是以字符為基礎(chǔ)編碼傳送的。HART 協(xié)議的傳輸速率是 1200 bps，一個(gè)字符包含 11 bit，所以一個(gè)字符的發(fā)送時(shí)間為 。下面討論的其它定時(shí)時(shí)間，都是以字符時(shí)間為單位的。 2. 從設(shè)備響應(yīng)時(shí)間 (TT0) 從設(shè)備響應(yīng)時(shí)間是指從設(shè)備響應(yīng)主設(shè)備的請(qǐng)求幀的最長(zhǎng)時(shí)間。 TT0 的計(jì)時(shí)自從設(shè)備接收到主設(shè)備發(fā)出的請(qǐng)求幀的最后一個(gè)比特開(kāi)始，到從設(shè)備第一主設(shè)備從設(shè)備 1從設(shè)備 224 V 電源第二主設(shè)備從設(shè)備 n電阻2 ~ 20 mA 電流環(huán)學(xué)士學(xué)位論文 14 發(fā)出響應(yīng)幀的第一個(gè)比特為止。如果在這段時(shí)間里從設(shè)備沒(méi)有發(fā)出響應(yīng)幀，就認(rèn)為發(fā)送失敗。從設(shè)備響應(yīng)時(shí)間是其它定時(shí)時(shí)間的基礎(chǔ)，它直接影響到總線的傳輸能力。 TT0 = 28 字符時(shí)間（ ms） 3. 主設(shè)備超時(shí)時(shí)間（ RT1） RT1 有兩個(gè)作用，一是作為主設(shè)備對(duì)從設(shè)備超時(shí)的判斷門限 ，一是作為鏈路空閑的判斷門限。當(dāng) RT1 用于從設(shè)備超時(shí)檢測(cè)時(shí)，它實(shí)際上是在 TT0 的基礎(chǔ)上加上信號(hào)在鏈路上的往返延時(shí)、保護(hù)時(shí)間以及主設(shè)備的串行接口能夠檢測(cè)到信號(hào)的時(shí)間而得到的。 RT1 的計(jì)時(shí)自主設(shè)備發(fā)送完請(qǐng)求幀的最后一個(gè)比特算起，到接收到響應(yīng)幀的第一個(gè)比特為止。如果主設(shè)備在 RT1 的時(shí)間里沒(méi)有收到返回幀，則它認(rèn)為是發(fā)送失敗，會(huì)啟動(dòng)重傳機(jī)制。當(dāng) RT1 用于從設(shè)備超時(shí)檢測(cè)時(shí)，它與 TT0 的區(qū)別在于： RT1 是主設(shè)備判定從設(shè)備超時(shí)的門限，而 TT0 是從設(shè)備判定自身超時(shí)的門限。 當(dāng) RT1 用于鏈路空閑檢測(cè)的時(shí)候，它保證沒(méi) 有正在進(jìn)行的通信（即一個(gè)主設(shè)備已經(jīng)發(fā)送了 REQ 幀，正在等待 ACK 幀）會(huì)被另外一個(gè)想發(fā)送數(shù)據(jù)的主設(shè)備干擾。如果一個(gè)主設(shè)備在 RT1 的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有在鏈路上監(jiān)聽(tīng)到任何幀，則認(rèn)為鏈路是空閑的，它有權(quán)發(fā)送幀。同時(shí)為了避免在一些情況下，由于兩個(gè)主設(shè)備同時(shí)訪問(wèn)總線而造成死鎖， HART 協(xié)議將第一主設(shè)備和第二主設(shè)備的 RT1 設(shè)置成不同的值。 第一主設(shè)備： RT1(P) = 33 字符時(shí)間（ 305 ms） 第二主設(shè)備： RT1(S) = 41 字符時(shí)間（ 380 ms） 4. 主設(shè)備切換時(shí)間（ RT2） RT2 設(shè)置了一個(gè) 足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)保證在一個(gè)主設(shè)備通訊結(jié)束之后，另外一個(gè)主設(shè)備能夠占用通訊鏈路，以實(shí)現(xiàn)鏈路使用權(quán)的切換。 RT2 的計(jì)時(shí)自主設(shè)備收到發(fā)給自己的響應(yīng)幀的最后一個(gè)比特算起，到收到另一個(gè)主設(shè)備發(fā)出的請(qǐng)求幀的第一比特結(jié)束。如果在 RT2 的時(shí)間內(nèi)，主設(shè)備沒(méi)有收到另一主設(shè)備發(fā)出的請(qǐng)求幀，則它可以繼續(xù)占有鏈路使用權(quán)。 RT2 = 8 字符時(shí)間（ 75 ms） 5. 主設(shè)備占用鏈路窗口（ HOLD） 如果一個(gè)主設(shè)備想獲得鏈路使用權(quán)，那么它需要在收到發(fā)給另一個(gè)主設(shè)備的響應(yīng)幀的最后一個(gè)比特之后 HOLD 時(shí)間內(nèi)，發(fā)出自己的請(qǐng)求幀來(lái)占用 鏈路。如果這個(gè)主設(shè)備沒(méi)有在 HOLD 的時(shí)間內(nèi)占用鏈路，則它需要等待兩倍的 RT1 時(shí)間才能再嘗試占用鏈路。 HOLD 時(shí)間與 RT2 時(shí)間的區(qū)別在于： RT2 時(shí)間是當(dāng)前正在使用總線的主設(shè)備，在發(fā)送完一條 HART 幀之后需要等待的時(shí)間；而 HOLD 時(shí)間是當(dāng)前沒(méi)有使用總線的主設(shè)備，為了獲得總線使用權(quán)而需要滿足的發(fā)幀門限。 HOLD = 2 字符時(shí)間（ 20 ms） 學(xué)士學(xué)位論文 15 6. 突發(fā)幀發(fā)送間隔（ BT） BT 時(shí)間用于定義突發(fā)狀態(tài)下的從設(shè)備發(fā)送突發(fā)幀的間隔，即連續(xù)兩個(gè)突發(fā)幀之間最小的時(shí)間間隔應(yīng)為 BT。在總線上有突發(fā)狀 態(tài)從設(shè)備存在的情況下，主設(shè)備可以在 BT 時(shí)間內(nèi)占用鏈路，從而訪問(wèn)從設(shè)備（包括突發(fā)狀態(tài)從設(shè)備）。 BT = 8 字符時(shí)間（ 75 ms） 設(shè)備同步操作分析 在 HART 總線上設(shè)備有同步和非同步之分。當(dāng)一個(gè)主設(shè)備（如：手持式抄表器）剛接入到 HART 總線上時(shí)它是非同步的，此時(shí)它偵聽(tīng)鏈路上幀的傳輸?shù)话l(fā)送幀。如果此主設(shè)備在 RT1 的時(shí)間內(nèi)，在鏈路上沒(méi)有偵聽(tīng)到幀傳輸；或者是此主設(shè)備在 RT1 的時(shí)間內(nèi)接收到一條由從設(shè)備（包括突發(fā)狀態(tài)的從設(shè)備）發(fā)給另一個(gè)主設(shè)備的響應(yīng)幀，在這兩種情況下此主設(shè)備馬上進(jìn)入同步狀態(tài)，它可 以在 HOLD 時(shí)間定義的窗口里面向從設(shè)備（包括突發(fā)狀態(tài)的從設(shè)備）發(fā)送請(qǐng)求幀。如果此主設(shè)備在 RT1 的時(shí)間里收到另一個(gè)主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備的請(qǐng)求幀，則它會(huì)重新開(kāi)始計(jì)時(shí)