HART協議的應用我們介紹了不少。這里我們來分析一下它的基本參數，以及各個網絡層次中的結構。其中的數據鏈路層的幀結構是一個重點。望大家能夠重視這部分內容。很多年以來,4~20mA信號一直成為現場儀表信號傳輸標準,在過程自動化設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高速可尋址遠程傳感器協議,引起了現場儀表通訊標準的技術革命,在工業過程中作為現場智能儀表數字通訊標準廣為應用｡為滿足工業過程對HART協議的日益需求,在1993年成立HART通訊基金會｡HART基金會是一個獨立的､非盈利機構,它的主要職責是制訂､維護及升級HART協議標準,登記注冊會員､提供對應用HART技術在全球范圍內的技術支持和培訓｡目前,世界上已有60%的智能儀表采用了HART協議,主要的儀表供應廠商都提供支持HART協議的智能儀表,如HONEYWELL､FOXBORO､ABB､E&H､SMAR等儀表制造商｡專家預測到2000年約有75%的智能儀表支持HART協議,開發符合HART協議的新類型儀表和制造廠商正持續快速增長｡

HART協議

HART協議采用在4~20mA模擬信號上疊加音頻數字信號進行雙向數字通訊,而不影響傳送給控制系統模擬信號的大小,保證了與現有模擬系統的兼容性｡HART協議遵循ISO制訂的OSI開放式系統互連參考模型,采用了OSI模型的***層､第二層和第七層,即物理層､數據鏈路層和應用層｡

物理層

物理層規定了信號的傳輸方法､傳輸介質,HART信號傳輸是基于BELL202通訊標準,采用FSK(頻移鍵控)方法,數字信號的傳送波特率設定為1200b/s,數字信號“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,對模擬信號不會產生任何影響｡通常采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質時,***傳輸距離可達到3000m｡

數據鏈路層

數據鏈路層規定了HART幀的格式,實現建立､維護､終結鏈路通訊功能,HART協議根據冗余檢錯碼信息,采用自動重復請求發送機制,消除由于線路噪音或其它干擾引起的數據通訊出錯,實現通訊數據無差錯傳送｡

(1) HART幀

HART協議規定了數據通訊按幀的格式傳送,HART幀由鏈路同步信息､尋址信息､用戶數據以及校驗和組成,HART幀又被分為請求幀､應答幀和陣發幀｡請求幀和應答幀的主要差別在于應答幀包含了數據通訊狀態和變送器的工作狀態｡

地址:短格式地址長度為一個字節,低4位b3b2b1b0表示從設備的地址號,HART協議規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,由***字節的低6位及其后連續四個字節共38位構成,由儀表唯一標識碼的低38位表示,由6位儀表制造廠商標識代號,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量可以不受限制,可根據通訊掃描頻率､通訊介質､功耗等決定在總線上所掛變送器的數量｡地址***字節的***位b7表示主設備地址位,b7=1時表示***主設備;b7=0時表示第二主設備,如:手持器｡***字節的b6位表示現場儀表的陣發允許位,b6=1時表示現場儀表允許陣發;b6=0時表示現場儀表不允許陣發,HART協議規定在總線上只允許一臺變送器以陣發方式通訊｡

命令號:表示現場儀表所要執行的功能,命令號的有效范圍為0~255｡

字節長度:表示后續數據的長度,表示HART幀的結束位置｡

響應碼:應答幀包含長度為兩個字節的響應字,***字節表示數據通訊狀態及現場儀表命令執行結果,當b7=1時,數據通訊出錯,后續位代表了錯誤類型,如:奇/偶校驗錯,水平校驗和錯,數據幀錯等;當b7=0時,表示現場儀表命令執行結果狀態,如:命令未執行,命令執行出錯,命令執行警告｡第二字節表示現場儀表的工作狀態,如:變量超限､模擬輸出飽和､儀表誤操作等,保證了現場儀表數據的可靠性及儀表工作的安全性｡

數據字節:表示與命令相關的數據｡

校驗和:表示從定界符開始對所有字節進行異或操作運算,確保通訊數據無差錯傳送｡

(2)HART幀編碼

HART幀以8位為一字節進行編碼,對每一字節加上起始位,奇/偶校驗位及1位停止位共11位傳送,保證了對每個字節進行數據傳輸同步｡

(3)數據鏈路層服務#p#

HART協議采用類似“令牌"方式訪問通訊鏈路,它不是在通訊鏈路上循環轉發令牌,只有得到令牌的站點可以訪問鏈路,而是采用設定定時器時間常數保證所掛設備能夠訪問鏈路｡

HART協議把鏈路上所掛設備分為三類:

***類為***主設備,如:控制系統和第二主設備,如:手持器;

第二類為從設備表示現場儀表按請求/應答方式進行數據通訊;

第三類為陣發設備表示現場儀表可以按請求/應答方式數據通訊,還支持陣發功能以陣發方式周期性地廣播數據,HART協議把陣發功能作為現場儀表的一種可選功能｡

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

應用層

應用層執行主設備所請求的命令,HART協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協議的現場儀表所必須執行的功能,在一定程度上保證了現場儀表的互操作性,常用命令表示大多數現場儀表所執行的功能,專用命令表示現場儀表所實現的特殊功能,如:傳感器特征化､過程積算､PID運算實現就地控制｡按功能又可把命令分為現場儀表管理命令,儀表變量相關信息讀寫命令,操作方法相關命令｡

(1)現場儀表管理命令獲取現場儀表的管理信息,如:讀取儀表的制造廠商及設備型號,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､安裝維護時間)｡儀表的輪詢地址等｡

(2)儀表變量相關信息讀寫命令按設定單位返回儀表檢測過程變量,輸出電流及百分數,對于多傳感器變送器,執行一次通訊,主設備可以獲取至多4個變量數值;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､變量運算函數代碼､量程范圍和阻尼值,可以設定或校正變送器零點和量程,設定變量的阻尼時間常數及運算方式如:線性運算､平方運算､開方運算､按特定曲線進行運算處理等｡

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

設備描述(DD)

HART協議通用命令､常用命令在一定程度上保證了現場儀表的互操作性,設備描述DD詳細地描述了現場儀表的外部特性:變量,命令集,操作方法如:儀表校正､模擬輸出微調､變量關系､變量集合､人機界面等｡它相當于OSI參考互聯模型的頂層“用戶層",在主設備中類似于設備驅動程序,真正地實現了儀表互操作性,同時DD解決了現場儀表與主設備開發的相互依賴關系,儀表更新換代､新型儀表開發及主設備升級互不影響,主設備只需升級DD的版本或裝入新型DD,如同升級打印機驅動程序一樣簡單｡

首先開發人員應詳細了解儀表特性,然后根據設備描述語言語法編寫DD源文件,并和標準DD一起編譯生成DD二進制格式文件以供主設備或手持器如本公司代理的ViT 公司制造的 USB HART modem對其進行組態。