【文章內(nèi)容簡介】 1200 波特率的頻移鍵控 FSK 信號加載在 4—20MA 的模擬信號以進行通信，它的均值為 0，并且這個 FSK 信號對模擬信號毫無影響，如圖 所示。在純數(shù)字通信中，HART 最多可以允許加載 15 個現(xiàn)場設，HART 協(xié)議為了在信號衰減的情況下繼續(xù)通信，面對接收器和發(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擾的可能性。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進行模擬和數(shù)字兩種通訊。許多年以來，設備使用的現(xiàn)場通訊標準是 4—20mA 模擬電流信號。在大多數(shù)應用中，它們用 4—20mA 之間的值成比例的來表示參數(shù)。而 HART 協(xié)議不僅傳輸過程參量。還利用模擬信號上疊加的數(shù)字信號來傳輸控制信號。這樣，HART 協(xié)議就可以支持大多數(shù)智能設備和大量存在的模擬設備。從圖中我們可以看到，HART 協(xié)議使用 bell202 頻移鍵控標準，在 4—20mA 基礎疊加低電平的數(shù)字信號。數(shù)字 FSK 信號的平均值為 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)變過程中的過渡產(chǎn)品，因此在當前的過渡時期具有較強的市場競爭能力，得到了較快的發(fā)展。HART 協(xié)議提供相對較低的帶寬和中等響應時間的通信，其典型應用包括遠程過程變量查詢、參數(shù)設定和對話。為滿足工業(yè)過程對 HART 協(xié)議的日益需求， 1990 年成立 HART 通訊基金會，它是一個獨立的、非盈利機構(gòu)。主要職責是制定、維護升級 HART協(xié)議標準。登記注冊會員、提供對應用 HART 技術在全球范圍內(nèi)的技術支持和培訓。作為一個開放式協(xié)議，HART 已成為智能儀表事實上的現(xiàn)場總線工業(yè)標準，并得到了廣泛的應用。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)議設備，幾乎覆蓋了所有種類的過程測量儀表和執(zhí)行設備。HART 協(xié)議的優(yōu)良特性表現(xiàn)在以下兩個方面：（1） 先進的通信協(xié)議隨著工業(yè)現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，各種支持現(xiàn)場總線的傳輸協(xié)議廣泛的被用到工業(yè)生產(chǎn)的各個方面，HART 協(xié)議的智能過程中采用的一種先進通信技術，兼容模擬與數(shù)字信號傳輸，現(xiàn)在，越來越多的智能設備的通信都采用 HART 協(xié)議。(2)適應于當今的獨特的通信方式HART 協(xié)議是一種過渡時期的協(xié)議，這個過渡時期是指由模擬向數(shù)字通信的轉(zhuǎn)變時期，過去存在的大量的現(xiàn)存的模擬傳輸線路和設備不可能立即取消，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)的模式設備對今后數(shù)字設備的兼容性提出了獨特的通信方案，這種方案確保了現(xiàn)場的基于模擬的電纜設備和電流控制策略還可以很好的應用于將來的數(shù)字設備。HART 協(xié)議之所有適應于當今，是因為它在進行雙向數(shù)字通信的同時傳輸4—20mA 的模擬信號，數(shù)字通信提供了現(xiàn)場智能設備的需要，而 4—20MaA 的模擬信號又支持著傳統(tǒng)的儀器設備。HART 協(xié)議獨特的通信方式是基于對 4—20mA 模擬信號的充分考慮，向過程測量和控制設備提供了兩種數(shù)字通信方式。它的應用包括遠距離過程變量查詢、過程數(shù)據(jù)的循環(huán)接入、參數(shù)設置和診斷。22 HART 通信結(jié)構(gòu)模型HART 通信結(jié)構(gòu)模型是以國際化組織的開放式互連模型為參照，為分三層，即對應于 OSI 的應用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層（見圖 ）分層 OSI 層次 HART 層次7 應用層 HART 命令6 表示層 未使用5 會晤層 未使用4 傳輸層 未使用3 網(wǎng)絡層 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)定了對實體之間的通信規(guī)則，并通過上下層的接口服務，實現(xiàn) HART 通信模式，以這樣的模式，可以在主設備與現(xiàn)場設備之間建立通信連接。221 HART 協(xié)議物理層物理層規(guī)定了信號的傳輸方法、信號電平、設備阻抗和傳輸介質(zhì)。HART 信號傳輸時基于 Bell 202 通信標準，采用 FSC 方法，數(shù)字信號的傳送波特率設為 1200bps，數(shù)字信號“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上一起傳送。如圖 。由于正弦信號的平均值為 0，對模擬信號不會產(chǎn)生影響。HART 信號要被智能設備檢出，必須具有（峰峰值）以上的電平，因此兩線制智能設備與電源之間至少要有 250 以上的電阻，以免這一信號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。限制信號傳輸距離的主要因素是電阻、電感與分布電容對信號的衰減。通常采用雙絞線同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，單臺距離可達 3000m，而多臺互連最大傳輸距離可達 1500m。這應該能滿足大部分用戶的需求了。 圖 HART 調(diào)制頻率信號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 奇偶校驗位1 bit 停止位不僅每個字節(jié)有奇偶校驗，每個完整的數(shù)據(jù)幀還用一個字節(jié)進行縱向校驗。HART 數(shù)據(jù)幀格式如下圖 所示，其中 HART 數(shù)據(jù)項長短并不恒定，最多可包括 25 個字節(jié)，數(shù)據(jù)形式可為無符號整型數(shù)、符點數(shù)或 ASCII 字符串。圖 HART 協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式223 應用層HART 應用層規(guī)定了 HART 命令，智能設備從這些命令中辨識對方信息的含義。這些命令分為三類：通用命令（Universal Commands），普通應用命令（CommonPractice Commands）及專用命令（DeviceSpecific Commands）。第一類命令是通用的，對所有遵從 HART 協(xié)議的智能設備都適用。例如，讀制造廠名及產(chǎn)品型號，讀過程變量及單位等。第二類命令對大多數(shù)智能設備都適用，但不要求完全一樣；適用于常用的操作，如寫時間數(shù)量、量程標定等。第三類命令是針對各種具體設備的特殊性而設立的，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“問答式 ” ，即主設備向從設備發(fā)出命令，從設備給予回答，每秒鐘可以變換兩次數(shù)據(jù)；第二種是“成組模式” ，即無需主設備發(fā)出請求而從設備自動地連續(xù)發(fā)出數(shù)據(jù)，傳輸速率提高到每秒 次，但只適用于“點對點”的連接方式，而不適用于多站連接方式。224 各層間的功能關系物理層的基本任務是為數(shù)據(jù)傳輸提供合格的物理信號波形，且直接與傳輸介質(zhì)連接。物理層作為電氣接口，一方面接受來自數(shù)據(jù)鏈路層的信息，把它轉(zhuǎn)換為物理信號，并且傳送到現(xiàn)場總線的傳輸媒體上，起到發(fā)送驅(qū)動器的作用；另一方面把來自總線傳輸媒體的物理信號轉(zhuǎn)換為信號送往數(shù)據(jù)鏈路層，起到接收器的作用，當它收到來自數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)信息時，需按照 HART 協(xié)議規(guī)范對數(shù)據(jù)幀加上前導碼與定界符等，并對其實行數(shù)據(jù)編碼，在經(jīng)過發(fā)送驅(qū)動器，把所產(chǎn)生的物理信號傳送到總線的傳輸媒體上。；另一方面，它又從總線上接收來自其他設備的物理信號，對其去除前導碼、定界符，并進行解碼，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)定了物理層和應用層之間的接口，該層還控制對傳輸介質(zhì)的訪問，決定是否可以訪問、何時可以訪問。23 HART 協(xié)議在智能變送器中的應用HART 作為一種協(xié)議應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)進行分析，計算得到有用的數(shù)值，發(fā)送回下位機，或者將下位機采集的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)送回上位機。下面就智能差壓變送器的命令采集及發(fā)送進行說明。命令及命令的格式標準的 HART 協(xié)議命令格式如下表所示：讀設備序號命令格式說明如下：起始位序文定界符地址命令數(shù)據(jù)長度校驗位結(jié)束符由于要確保待發(fā)的命令完整的發(fā)送，我們特意在標準命令格式序文前加了一個起始位“23”和在校驗位后加了一個結(jié)束符“40” 。例如：發(fā)送讀取設備序號命令 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)長度 00校驗位 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)長度數(shù)據(jù) 校驗位返回的數(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返回數(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)長度 0E數(shù)據(jù) 00 40 FE 50 7F 06 05 01 01 08 00 6B 73 3A校驗位 30返回數(shù)據(jù) 6B 73 3A 就是這臺設備的序號。起始位和結(jié)束符只在發(fā)送命令時確定命令的完整發(fā)送，它不改變命令本身，更不會影響數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。發(fā)送讀取壓力動態(tài)變量命令命令格式說明如下表所示：（AT100）82 90 7F 固定 6B 73 3A 設備序號 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 返回數(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返回數(shù)據(jù)計算經(jīng)過反復實驗和推理論證而推導出了基于 HART 協(xié)議數(shù)據(jù)的計算公式。下面以電流為例加以說明。電流值的計算：dlH=((parseddataHart[13]+parseddataHart[12]*+(parseddataHart[11] amp。 127) * ))/ +1)。dlD=(((parseddataHart[10]*1) amp。 127) * 256 + ((parseddataHart[11]*1) amp。 128)) / 128–127）。啟動串口調(diào)試程序或者由上位機發(fā)送相關的命令進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，客戶端可以將采集的數(shù)據(jù)進行分析，計算得到有用的數(shù)值。將計算所得的數(shù)據(jù)送到相應的存儲區(qū)，客戶可以根據(jù)自己的需要來處理這些數(shù)據(jù)。也可以根據(jù)自己的需要來提取有用的數(shù)據(jù)量，具體的讀取命令，需參閱相關的技術書籍。第三章 智能差壓變送器的硬件設計31 系統(tǒng)設計方案 圖 系統(tǒng)總體設計圖本設計的采用模塊設計，整個過程包括 5 個部分：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域十分廣，而且技術更新也層出不窮，結(jié)構(gòu)各有千秋，本章要重點介紹的是基于HART 協(xié)議的差壓變送器的硬件設計。該變送器可以完成多個參數(shù)檢測。采用抗干擾能力強，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的特點，又具有變送器輸出信號為二線制 4—20mA 的工業(yè)標準。智能變送器的總體設計要實現(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網(wǎng)絡提供工作電源的 A 類設備，因此意味著智能儀表供電的電流不能超過 4mA。在實際應用中，為了兼容數(shù)字和模擬兩種信號，通常將數(shù)字信號通過 V/I 轉(zhuǎn)換電路