【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 1200 波特率的頻移鍵控 FSK 信號(hào)加載在 4—20MA 的模擬信號(hào)以進(jìn)行通信，它的均值為 0，并且這個(gè) FSK 信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)毫無(wú)影響，如圖 所示。在純數(shù)字通信中，HART 最多可以允許加載 15 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)，HART 協(xié)議為了在信號(hào)衰減的情況下繼續(xù)通信，面對(duì)接收器和發(fā)送器的靈敏度做了特別的規(guī)定，這樣也減少了干擾和碼間串?dāng)_的可能性。圖 HART 數(shù)字通信HART 協(xié)議的顯著特性之一就是它可以同時(shí)進(jìn)行模擬和數(shù)字兩種通訊。許多年以來(lái)，設(shè)備使用的現(xiàn)場(chǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)是 4—20mA 模擬電流信號(hào)。在大多數(shù)應(yīng)用中，它們用 4—20mA 之間的值成比例的來(lái)表示參數(shù)。而 HART 協(xié)議不僅傳輸過(guò)程參量。還利用模擬信號(hào)上疊加的數(shù)字信號(hào)來(lái)傳輸控制信號(hào)。這樣，HART 協(xié)議就可以支持大多數(shù)智能設(shè)備和大量存在的模擬設(shè)備。從圖中我們可以看到，HART 協(xié)議使用 bell202 頻移鍵控標(biāo)準(zhǔn)，在 4—20mA 基礎(chǔ)疊加低電平的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字 FSK 信號(hào)的平均值為 0。圖中的邏輯“1”由 1200Hz 頻率代表，邏輯“0”由 2200Hz 代表。信息傳輸速率是 1200 波特率。HART 屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的過(guò)渡產(chǎn)品，因此在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，得到了較快的發(fā)展。HART 協(xié)議提供相對(duì)較低的帶寬和中等響應(yīng)時(shí)間的通信，其典型應(yīng)用包括遠(yuǎn)程過(guò)程變量查詢、參數(shù)設(shè)定和對(duì)話。為滿足工業(yè)過(guò)程對(duì) HART 協(xié)議的日益需求， 1990 年成立 HART 通訊基金會(huì)，它是一個(gè)獨(dú)立的、非盈利機(jī)構(gòu)。主要職責(zé)是制定、維護(hù)升級(jí) HART協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。登記注冊(cè)會(huì)員、提供對(duì)應(yīng)用 HART 技術(shù)在全球范圍內(nèi)的技術(shù)支持和培訓(xùn)。作為一個(gè)開放式協(xié)議，HART 已成為智能儀表事實(shí)上的現(xiàn)場(chǎng)總線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并得到了廣泛的應(yīng)用。目前，世界上已有 100 多家公司采納了這一協(xié)議，其中有許多如 Rosement,Foxboro,Smar,ABB,Moore,Honeywell 等等，共生產(chǎn)了近 600 種 HART 協(xié)議設(shè)備，幾乎覆蓋了所有種類的過(guò)程測(cè)量?jī)x表和執(zhí)行設(shè)備。HART 協(xié)議的優(yōu)良特性表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1） 先進(jìn)的通信協(xié)議隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)，各種支持現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸協(xié)議廣泛的被用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，HART 協(xié)議的智能過(guò)程中采用的一種先進(jìn)通信技術(shù)，兼容模擬與數(shù)字信號(hào)傳輸，現(xiàn)在，越來(lái)越多的智能設(shè)備的通信都采用 HART 協(xié)議。(2)適應(yīng)于當(dāng)今的獨(dú)特的通信方式HART 協(xié)議是一種過(guò)渡時(shí)期的協(xié)議，這個(gè)過(guò)渡時(shí)期是指由模擬向數(shù)字通信的轉(zhuǎn)變時(shí)期，過(guò)去存在的大量的現(xiàn)存的模擬傳輸線路和設(shè)備不可能立即取消，而大量的數(shù)字化的儀表又不斷出現(xiàn)。HART 協(xié)議為今天大量存在的傳統(tǒng)的模式設(shè)備對(duì)今后數(shù)字設(shè)備的兼容性提出了獨(dú)特的通信方案，這種方案確保了現(xiàn)場(chǎng)的基于模擬的電纜設(shè)備和電流控制策略還可以很好的應(yīng)用于將來(lái)的數(shù)字設(shè)備。HART 協(xié)議之所有適應(yīng)于當(dāng)今，是因?yàn)樗谶M(jìn)行雙向數(shù)字通信的同時(shí)傳輸4—20mA 的模擬信號(hào)，數(shù)字通信提供了現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的需要，而 4—20MaA 的模擬信號(hào)又支持著傳統(tǒng)的儀器設(shè)備。HART 協(xié)議獨(dú)特的通信方式是基于對(duì) 4—20mA 模擬信號(hào)的充分考慮，向過(guò)程測(cè)量和控制設(shè)備提供了兩種數(shù)字通信方式。它的應(yīng)用包括遠(yuǎn)距離過(guò)程變量查詢、過(guò)程數(shù)據(jù)的循環(huán)接入、參數(shù)設(shè)置和診斷。22 HART 通信結(jié)構(gòu)模型HART 通信結(jié)構(gòu)模型是以國(guó)際化組織的開放式互連模型為參照，為分三層，即對(duì)應(yīng)于 OSI 的應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層（見圖 ）分層 OSI 層次 HART 層次7 應(yīng)用層 HART 命令6 表示層 未使用5 會(huì)晤層 未使用4 傳輸層 未使用3 網(wǎng)絡(luò)層 未使用2 數(shù)據(jù)鏈路層 協(xié)議規(guī)范1 物理層 Bell 202圖 HART 通信結(jié)構(gòu)模型HART 協(xié)議規(guī)定了對(duì)實(shí)體之間的通信規(guī)則，并通過(guò)上下層的接口服務(wù)，實(shí)現(xiàn) HART 通信模式，以這樣的模式，可以在主設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間建立通信連接。221 HART 協(xié)議物理層物理層規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法、信號(hào)電平、設(shè)備阻抗和傳輸介質(zhì)。HART 信號(hào)傳輸時(shí)基于 Bell 202 通信標(biāo)準(zhǔn)，采用 FSC 方法，數(shù)字信號(hào)的傳送波特率設(shè)為 1200bps，數(shù)字信號(hào)“0”和“1”分別用 2200Hz 和 1200Hz 的正弦波表示，這些頻率的正弦波疊加在模擬信號(hào)上一起傳送。如圖 。由于正弦信號(hào)的平均值為 0，對(duì)模擬信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生影響。HART 信號(hào)要被智能設(shè)備檢出，必須具有（峰峰值）以上的電平，因此兩線制智能設(shè)備與電源之間至少要有 250 以上的電阻，以免這一信號(hào)被電源的低阻抗所短路。多數(shù)現(xiàn)有電纜都可以用于HART 通信，但最好采用直徑大于 的電纜。限制信號(hào)傳輸距離的主要因素是電阻、電感與分布電容對(duì)信號(hào)的衰減。通常采用雙絞線同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，單臺(tái)距離可達(dá) 3000m，而多臺(tái)互連最大傳輸距離可達(dá) 1500m。這應(yīng)該能滿足大部分用戶的需求了。 圖 HART 調(diào)制頻率信號(hào)222 HART 數(shù)據(jù)鏈路層HART 采用異步傳行通信，數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，每個(gè)字符由 11 位組成，其中包括：1 bit 起始位8 bit 數(shù)據(jù)位1 bit 奇偶校驗(yàn)位1 bit 停止位不僅每個(gè)字節(jié)有奇偶校驗(yàn)，每個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀還用一個(gè)字節(jié)進(jìn)行縱向校驗(yàn)。HART 數(shù)據(jù)幀格式如下圖 所示，其中 HART 數(shù)據(jù)項(xiàng)長(zhǎng)短并不恒定，最多可包括 25 個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)形式可為無(wú)符號(hào)整型數(shù)、符點(diǎn)數(shù)或 ASCII 字符串。圖 HART 協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式223 應(yīng)用層HART 應(yīng)用層規(guī)定了 HART 命令，智能設(shè)備從這些命令中辨識(shí)對(duì)方信息的含義。這些命令分為三類：通用命令（Universal Commands），普通應(yīng)用命令（CommonPractice Commands）及專用命令（DeviceSpecific Commands）。第一類命令是通用的，對(duì)所有遵從 HART 協(xié)議的智能設(shè)備都適用。例如，讀制造廠名及產(chǎn)品型號(hào)，讀過(guò)程變量及單位等。第二類命令對(duì)大多數(shù)智能設(shè)備都適用，但不要求完全一樣；適用于常用的操作，如寫時(shí)間數(shù)量、量程標(biāo)定等。第三類命令是針對(duì)各種具體設(shè)備的特殊性而設(shè)立的，因而，它不要求統(tǒng)一。HART 通信協(xié)議允許兩種通信模式：第一種是“問(wèn)答式 ” ，即主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)出命令，從設(shè)備給予回答，每秒鐘可以變換兩次數(shù)據(jù)；第二種是“成組模式” ，即無(wú)需主設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求而從設(shè)備自動(dòng)地連續(xù)發(fā)出數(shù)據(jù)，傳輸速率提高到每秒 次，但只適用于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的連接方式，而不適用于多站連接方式。224 各層間的功能關(guān)系物理層的基本任務(wù)是為數(shù)據(jù)傳輸提供合格的物理信號(hào)波形，且直接與傳輸介質(zhì)連接。物理層作為電氣接口，一方面接受來(lái)自數(shù)據(jù)鏈路層的信息，把它轉(zhuǎn)換為物理信號(hào)，并且傳送到現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸媒體上，起到發(fā)送驅(qū)動(dòng)器的作用；另一方面把來(lái)自總線傳輸媒體的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)送往數(shù)據(jù)鏈路層，起到接收器的作用，當(dāng)它收到來(lái)自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)信息時(shí)，需按照 HART 協(xié)議規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)幀加上前導(dǎo)碼與定界符等，并對(duì)其實(shí)行數(shù)據(jù)編碼，在經(jīng)過(guò)發(fā)送驅(qū)動(dòng)器，把所產(chǎn)生的物理信號(hào)傳送到總線的傳輸媒體上。；另一方面，它又從總線上接收來(lái)自其他設(shè)備的物理信號(hào)，對(duì)其去除前導(dǎo)碼、定界符，并進(jìn)行解碼，把數(shù)據(jù)信息送往數(shù)據(jù)鏈路層。而數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了物理層和應(yīng)用層之間的接口，該層還控制對(duì)傳輸介質(zhì)的訪問(wèn)，決定是否可以訪問(wèn)、何時(shí)可以訪問(wèn)。23 HART 協(xié)議在智能變送器中的應(yīng)用HART 作為一種協(xié)議應(yīng)用在智能差壓變送器中，其作用是將客戶端可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得到有用的數(shù)值，發(fā)送回下位機(jī)，或者將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)送回上位機(jī)。下面就智能差壓變送器的命令采集及發(fā)送進(jìn)行說(shuō)明。命令及命令的格式標(biāo)準(zhǔn)的 HART 協(xié)議命令格式如下表所示：讀設(shè)備序號(hào)命令格式說(shuō)明如下：起始位序文定界符地址命令數(shù)據(jù)長(zhǎng)度校驗(yàn)位結(jié)束符由于要確保待發(fā)的命令完整的發(fā)送，我們特意在標(biāo)準(zhǔn)命令格式序文前加了一個(gè)起始位“23”和在校驗(yàn)位后加了一個(gè)結(jié)束符“40” 。例如：發(fā)送讀取設(shè)備序號(hào)命令 23 FF FF FF FF FF 02 80 00 00 82 40命令注解如下表所示：起始位 23序文 FF FF FF FF FF定界符 02地址 80命令 00數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 00校驗(yàn)位 82結(jié)束符 40返回的命令格式如下表所示：序文 定界符 地址 命令 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度數(shù)據(jù) 校驗(yàn)位返回的數(shù)據(jù)為： FF FF FF FF FF 06 80 00 0E 00 40 FE 50 7F 06 05 01 01 08 00 6B 73 3A 30返回?cái)?shù)據(jù)命令注解如下表所示：序文 FF FF FF FF FF定界符 06地址 80命令 00數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 0E數(shù)據(jù) 00 40 FE 50 7F 06 05 01 01 08 00 6B 73 3A校驗(yàn)位 30返回?cái)?shù)據(jù) 6B 73 3A 就是這臺(tái)設(shè)備的序號(hào)。起始位和結(jié)束符只在發(fā)送命令時(shí)確定命令的完整發(fā)送，它不改變命令本身，更不會(huì)影響數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。發(fā)送讀取壓力動(dòng)態(tài)變量命令命令格式說(shuō)明如下表所示：（AT100）82 90 7F 固定 6B 73 3A 設(shè)備序號(hào) 03 為命令返回的數(shù)據(jù)為： FF FF FF FF FF 86 90 7F 6B 73 3A 03 15 00 40 40 D4 E0 00 2D 3E 09 1C 2D 2D 3E 92 E3 9E 返回?cái)?shù)據(jù)命令注解如下表所示：電流 40 D4 E0 00壓力 3E 09 1C 2D界面 3E 92 E3 9E返回?cái)?shù)據(jù)計(jì)算經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和推理論證而推導(dǎo)出了基于 HART 協(xié)議數(shù)據(jù)的計(jì)算公式。下面以電流為例加以說(shuō)明。電流值的計(jì)算：dlH=((parseddataHart[13]+parseddataHart[12]*+(parseddataHart[11] amp。 127) * ))/ +1)。dlD=(((parseddataHart[10]*1) amp。 127) * 256 + ((parseddataHart[11]*1) amp。 128)) / 128–127）。啟動(dòng)串口調(diào)試程序或者由上位機(jī)發(fā)送相關(guān)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，客戶端可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得到有用的數(shù)值。將計(jì)算所得的數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)，客戶可以根據(jù)自己的需要來(lái)處理這些數(shù)據(jù)。也可以根據(jù)自己的需要來(lái)提取有用的數(shù)據(jù)量，具體的讀取命令，需參閱相關(guān)的技術(shù)書籍。第三章 智能差壓變送器的硬件設(shè)計(jì)31 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖本設(shè)計(jì)的采用模塊設(shè)計(jì)，整個(gè)過(guò)程包括 5 個(gè)部分：供電模塊、HART 通信模塊、傳感器模塊、MCU 模塊、LED 模塊。變送器種類繁多所涉及的領(lǐng)域十分廣，而且技術(shù)更新也層出不窮，結(jié)構(gòu)各有千秋，本章要重點(diǎn)介紹的是基于HART 協(xié)議的差壓變送器的硬件設(shè)計(jì)。該變送器可以完成多個(gè)參數(shù)檢測(cè)。采用抗干擾能力強(qiáng)，通信速率高，傳輸數(shù)據(jù)精度高的 HART 協(xié)議模塊電路完成變送器的數(shù)據(jù)輸出，它既有總線通信的抗干擾力強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有變送器輸出信號(hào)為二線制 4—20mA 的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。智能變送器的總體設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)低功耗。由于接入 HART 總線 4～20mA 環(huán)路中的智能變送器是從 HART 總線 4—20mA 電流環(huán)路上吸收直流且還要對(duì)網(wǎng)絡(luò)提供工作電源的 A 類設(shè)備，因此意味著智能儀表供電的電流不能超過(guò) 4mA。在實(shí)際應(yīng)用中，為了兼容數(shù)字和模擬兩種信號(hào)，通常將數(shù)字信號(hào)通過(guò) V/I 轉(zhuǎn)換電路