（通信与信息系统专业论文）基于hart协议的信号采集报警系统的研究开发.pdf

摘要 本课题是受常州市山林自动化设备公司的委托而研究开发的项目。 本项目 立 足于工业现场的h a r t协议，主要完成的是对工业现场中h a r t信号的采集、 跟踪、d / a转化和设备报警。实际上是对广泛应用的h a r t接口模块h i m的分 析、 定制。 由于本项目 为用户着身定制， 并且因为用户需求的针对性和对价格的 要求，我们在选取微处理芯片和 h a r t调制解调芯片的时候充分考虑价格，因 此设计的专用h a r t信号采集服警h i m比通用的h i m降低了成本。 在项目开发过程中，实现了主要功能。在 h a r t信号的解调外围电路中采 用迟滞比较电路实现波形的转化， 这种方法简单、 易实现， 完全能够跟踪加载在 4 - 2 0 m a模拟信号上的数字控制信号; 在软件设计中， 完成了h a r t信号的采集 编程、l c d显示编程、d / a转化控制编程和i e e e - 7 5 4 3 2 位浮点数的转化编程， i e e e - 7 5 4 3 2 位浮点数转化编程采用的是在最多满足2 4 位整数位和1 6 位小数位 的基础上的一种简化算法.该系统实现了一般h i m设备的功能，达到了信号采 集监控的目的，该研究成果具有很好的推广应用价值。 本项目的各个模块功能测试成功，并完成了采集、跟踪、报警的整合测试， 还需要到工业现场进一步的进行测试。 在各方面完成的基础上， 还希望设计出整 合部分功能的芯片，这有待今后进一步的开发。 关键词: 现场总线，h a r t , h t 2 0 1 2 ，采集，报警 ab s t r a c t t h i s p r o j e c t i s s u p p o rt e d 勿c h a n g z h o u s h a n l in a u t o m a t i z a t i o n c o . , b a s e d o n t h e i n d u s t ry f i e l d p r o t o c o l - h i g h w a y a d d r e s s a b l e r e m o t e t r a n s d u c e r ( h a r t ) . t h e m a i n p u r p o s e o f t h e p r o j e c t i s t o p e r f o r m h a r t o r i e n t e d s i g n a l c o l l e c t i n g , m o n it o r i n g , p r o c e s s i n g a n d a l a r mi n g . t h e k e y a s p e c t o f o u r p r o j e c t i s t o d e v e l o p a h ig h l y e f f e c t i v e h a r t i n t e r f a c e m o d u l e ( h i m) . w e f u l l y c u s t o m i z e d h i m t o t h e m e e t t h e s p e c if i c r e q u i r e m e n t o f i t s a p p l i c a t i o n , m o r e o v e r , w e a l s o e m p h a s i z e i t s c o s t e ff e c t i v e n e s s b y c a r e f u l ly s e l e c t i n g c e n te r p r o c e s s i n g u n i t a n d h a r t m o d e m s . t h i s l e a d s t o f u rt h e r r e d u c t io n o f t h e h i m s y s t e m c o s t w h i l e s y s t e m u s a b i l i t y g u a r a n t e e d w e h a v e s u c c e s s f u l l y i m p l e m e n t e d a l l m a j o r f u n c t i o n s r e q u i r e d f o r h a r t c o m p a t i b i l i t y d u r i n g t h e d e v e lo p m e n t . i n h a r t d e m o d u l a t i o n c i r c u i t r y , w e u s e d d e l a y - c o m p a re l o o p in w a v e f o r m c o n v e r t i n g . t h i s m e t h o d i s e s p e c i a l l y s i m p le a n d e a s y t o i m p l e m e n t . f u r t h e r m o r e , i t f u l l y c a p a b l e o f t r a c k i n g d i g i t a l c o n t r o l s i g n a l s c a r r i e d b y 4 n 2 0 m a a n a l o g s i g n a l s ; d u r i n g s o ft w a re d e v e l o p m e n t p h a s e , w e h a v e c o m p l e t e d s i g n a l c o l le c t i n g , l c d d i s p l a y i n g , d i a c o n v e rt i n g o f h a r t s i g n a l a n d i e e e - 7 5 4 3 2 b i t fl o a t p o i n t c o n v e r s i o n . w e u s e d a s i m p li f i e d m e t h o d i n i e e e - 7 5 4 3 2 b i t c o m p a t i b l e fl o a t p o in t c o n v e r s i o n b a s e d o n t h e 2 4 b i t in t e g e r a n d 1 b b i t d e c i m a l c o m p u t a t i o n . t h i s s y s t e m i m p l e m e n t e d a f u l l y c o m p a t i b l e h i m f u n c t io n , w h ic h c a n b e u s e d f o r s i g n a l c o l l e c t i n g a n d m o n i t o r i n g a n d a re s u i t a b l e f o r a w id e v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n s . f u rt h e r i m p r o v e m e n t s a r e p o s s i b l e v i a h i m fi e ld t e s t i n g , a n d s y s t e m i n t e g r a t i o n . f i e l d b u s , h a r t , h t 2 0 1 2 , g a t h e r i n g , a l a r m i n g 前言 前言 论文结构介绍 本研究课题是 基于h a r t协议的信号采集月 及 警系统的研究开发 ， 前言是 对论文各章的主要内容的概括。 第一章 绪论这一章是对h a r t协议和本研究课题的介绍。从工业 现场总线及h a r i ， 协议的出现开始起， 概括介绍了h a r t协议， 课题的 主要研究内容，在实际中的意义。 第二章 h a r t消息结构 这一章介绍了一般基于h a r t协议系统的 通信模式，并深入 h a r t协议内部，对它的消息包结构进行剖析。从 h a r t 协议的分层到它的消息祯结构， 详细介绍了它的操作命令和数据 格式，最后给出实例进行说明。 第三章 h a r t采匆报警系统硬件电 路设计 本章和第四章合在一起 是对系统硬件电路的介绍。 在这一章中总述了系统硬件功能， 给出了 硬 件功能设计总体结构框图， 着重对h a r t 一 信号采集电路进行了分析， 分 析了h a r t信号采集的接口电路实现，网络的祸合变压， 采集电路，与 微处理器的接口电路的调试过程，调试过程中出现的问题和电路的实 现. 第四章 显示付 及 警和辅助电路设计在这一章中分析了了h a r i ， 信号 的显示接口电路设计、 报警电路、 d i a转化电路，系统电源电路，串口 连接电路，等的调试过程和电路的实现。 第五章 h a r t采集服警系统软件设计 这一章中介绍了 系统功能的 软件实现。 包括h a r t 信号采集功能的编程， l c d显示编程， i e e e 7 5 4 单精浮点数转化的算法设计和编程，数模转化编程。 附录附录本系统部分电 路图，供参考。 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1 工业现场总线及h a r t协议的出现 在工业控制领域中， 从6 0 年代至今都在延续着4 - 2 0 m a的模拟信号标准， 这种4 - 2 0 m a 模拟直流回路只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数。 到 7 0年代，数字式计算机引入 到测控系统中。 而到了 0 年代， 微处理器嵌入到各种仪器中， 形成了分布式控制系统d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) ， 在分布式 控制系统中， 微处理 器执行 不同 的 任务， 而它们 之间的通讯由专门的网络提供。随着微处理器的发展， 产生了以一些具有专家决策与分析 能力的智能化仪表设备， 这些智能设备借助完善的传感技术、 计算机技术和数字通信技术， 自 身可以完成许多控制功能，诸如:自 动量程转换、自 动调零、自 动校正、自 诊断、历史 信息报告、状态报告等功能.与此同时，基于安全、维护、环境等方面的考虑，要求仪表 能够在工业现场处理信息，这样就出现了 许多现场仪表，也就使得它们与上级控制的通信 量的增加，所以在工业现场和控制系统之间，需要一种数字化的、双向的、多变量的现场 总线，各种现场设备与控制系统之间可以用同一总线进行双向多变量数字通信，于是出现 了现场总线。 现场总线f c s ( f i e l d - b u s c o n t r o l s y s t e m ) 于9 0 年代初期兴起， 与d c s 相比具有许多 优点: 首先， f c s 的信号传输是全数字化的，系统结构是全分散式的， 它的现场设备具有互 操作性，即不同厂商的现场设备可以互连也可以互换，这样就突破了d c s的封闭和专用。 f c s 的通信网络是开放互连的，这样用户可以方便的共享数据库。 其次，f c s不同于d c s的三层网络结构，是一种 “ 工作站现场总线 非主参量超限; 主参量模拟输出超限; 非主参量模拟输出超限; 冷启动; 现场设备故障; h i m能够用来监视智能h a r t阀门定位器和调节器。一般的做法是， 用它的4 - 2 0 m a 模拟信号来跟踪重要的参量，如:阀杆位置、执行器的压力或温度。而继电器报警可以设 置为对阀门的开度 ( 开/ 关)和阀门定位器的温度的 ( 高/ 低)进行报警。 同时，用软件将h i m设置为h a r t环路中的第一或第二主机。当回路中没有h a r t 主机时( 如非h a r t 型控制系统) ， 将h i m设为第一主机， 此时允许第二主 机， 如手操机。 当h i m处于一个h a r t型控制系统的时候， h i m就只能作为第二主机，因为h a r t系统 中最多允许两个主 机同时存在，不允许第三个主机，就不能用手操机。无论是作为第一主 机还是第二主机， h i m一般可以设为两种模式巡检模式或中断模式。但是如果h a r t 系统处于 “ 听模式”的情况下，h i m无需被设为第一或第二主机，进行持续的采样也不会 影 响 正 常的 环路 运行 1 11 . h i m还可以 应用于模拟或多h a r t 仪表的网 络环境中。 当仪表和控制系统之间进行通 讯的信号是加载在 4 - 2 0 m a上的模拟和数字信号的时候，h i m 的地址是 0 。在一个多台 h a r t仪表网 络中，即可最多 连接 1 5 个h a r t仪表在同一线路上进行数字通讯， 此时， h i m的地址可以监视任何一个仪表， 地址为卜巧中的任意一个， 这儿的地址是动态的， 可以随时更换，从而h i m可以周期性的监视任何仪表。 1 .4 本课题的主要内容及研究意义 h a r t协议作为一种新的现场仪表通信标准，有着非常广泛的应用范围和前景。但目 前控制系统对h a r t 协议的全面兼容尚 有一定距离。 因此， 为了 使现有的 控制系统能够得 到由h a r t 协议承载的众多信息， 就需要一种不仅能够读写h a r t 信号， 而且能够将h a r t 信号转变为现有控制系统能够接受的信号并对于故障能够有所动作的设备.前面提到的 h i m就是这样的设备。本项目 根据用户的特殊要求，结合 h i m 的主要功能开发出h a r t 信号采集/ 监视报警装置。它是对h i m的仿制研究，是主要功能与h i m类似，而根据用户 的需要而凿身定制的设备， 所以它省略了一些对用户而言累赘的功能， 体形可以更加合理， 并且成本价格低于同类h i m产品。 原项目要求有如下几条: 1 、方式 可以 并联接入h a r t回 路，无需区分电 源正负，完全不影响原控制信号 及载波的h a r t信号。 2 、功能能够采集到h a r t信号中的4 个主参量: p v , s v , t v , f v ，并且能够 做就地显示。 z 第一章绪论 3 、转化功能 能够将四 个主参量中的任意一个参量转换为4 - 2 0 m a模拟信号 输出。 4 、 报等功能 对选定的转化为模拟量的参量可任意设定两个报鳌点，并且驱动两 个带 双刀双掷接点的继电 器作为报警接点 输出。 5 、 故 障 显示 可以 设置 故 障 报 警 显示 : 无 法检 测到h a r t 信号、 设 备故 障 等 等。 6 、 安装要求 满足现场安装要求; 满足控制机柜安装要求。 7 、使用电源-2 2 0 v a c或2 4 v d c供电。 8 、系统图如下:( 设备为假想布局) 图1 . 1 系统简图 根据要求首先将研制的产品拟命名为 要求的功能有: h a r t 信号采集 监视多参数变送器 各h a r t信号参量的d / a转化 对过程信号和诊断信息进行报誉 h a r t信号采集/ 监视报警装置” ， 归纳出 其主要 实现以 上各功能的基础是h a r t 协议。首 先要对h a r t协议的传输模式和帧结构进 行分析研究。 第二章 h a r t消息结构 第二章h a r t协议分析 h a r t ， 即h i g h w a y a d d r e s s a b l e r e m o t e t r a n s d u c e r 是可寻址远程传感器高速 公路的简称， 其定义一句话概括是在4 - 2 o m a的模拟信号上叠加f s k数字信号， 可以传输模拟和数字两种信号。 h a r t 协议的显著特性之一就是它可以同时 进行模拟和数字两种通讯。 许多 年以来，设备使用的现场通讯标准是4 - 2 o m a 模拟电流信号.在大多数应用中， 它们用4 - 2 o m a 之间的值成比例的来表示参数。 而h a r t 协议不仅传输过程参量， 还利用模拟信号上叠加的数字信号来传输控制信息。这样，h a r t 协议就可以支 持大多数智能设备和大量存在的模拟设备. h a r t 一可寻址远程传感器高速公路， 从它的名字就可以理解它在通讯特 性_ l 的特性，4 - 2 o m a 模拟和h a r t 数字通讯信号能在一条线对上同时传递， 主 要变量和控制信号信息由 4 - 2 o m a 传送，而另外的测量、 过程参数、设备组态、 校准及诊断信息在同一线对、 同一时刻通过叠加的数字信号传递。 数字信号叠加 在4 - 2 o m a 电 流信号上的方式可以 参见图 2 . 1 1 2 ) . 2。 一 4ma一 图2 . 1h a r t 数字通讯信号加在4 - 2 0 ， 人模拟信号上 从图中可以 看到， h a r t协议使用b e 1 1 2 0 2频移键控标准， 在4 - 2 o m a基础 上叠加低电 平的数字信号。数字f s k信号相位连续， 这样就不会影响 4 - 2 o m a 的模拟信号.图中的逻辑 1 ” 由1 2 0 0 h z 频率代表，逻辑 “ 0 ” 由2 2 0 0 h z 代 表，信息传输速率是1 2 0 0 波特率。 2 . 1 h a r t协议的分层 前面绪论中己经提到h a r t现场总线标准基本参照国标准化组织的o s i 模 型的第 1 层 ( 物理层) 、第2 层 ( 数据链路层) 、第 7 层 ( 应用层) 。这样做的目 的是为了使供管理用的信元的信头 ( 如逻辑地址等额外的字节) 最小，以达到控 制所需的性能要求。 第二章h a r t消息结构 物理层 在物理层上规定了信号的传输方法、 传输介质。 h a r t支持模拟信号和数字 信号在同一线路上传输， 在4 - 2 0 m a d c模拟信号上叠加f s k数字信号时的信息 速率为1 2 0 0 b p s o 从图2 . 1 中可以看到，加载到直流上的正弦信号幅度不大，均值为0 ，这也 就是加入的正弦信号不会千扰存在的直流信号的理由， 也就是说模拟设备仍然可 以正常工作而不受影响， 平常只要使用一般的滤波器就可以进行模拟或数字信号 的选择。观察加载的数字信号，图2 .2 . 彼特甲.1 2 0 0 位月 少 尸 图2 . 2 h a r t调制频率信号 看到数据速率为1 2 0 0 b p s ， 表示二进制数据以1 2 0 0 每秒的速度传输。 + 1 ; 代表的就是 1 2 0 0 h z 的单一的周期 0 ” 表示的就约是2 2 0 0 h z 的两个周期。 h a r t 协议选用b e l l 2 0 2 标准作为信号频率和传输率， b e l l 2 0 2 标准，电话线上进行 数字通信的标准， 这样似乎就可以利用电话线来发送数字信号， h a r t信号的调 制解调也就可以 采用一些满足b e l l 2 0 2 标准集成电路芯片来实现。此时似乎让 我们对h a r t调制解调部分的设计变为不必要。其实，h a r t和b e l l 2 0 2 对阻 抗和信号水平的规定都是不同的。对 h a r t信号的调制解调要使用专门的调制 解调器芯片来满足其低功耗的需要。 h a r t协议规定主机 ( 单主机控制系统或手操机通讯系统) 传输的是电压信 号， 而副设备传输的是电流信号。 通常的二线传输的是用于控制环路的电流， 通 过一些控制系统来抽样， 进行模拟数字信号的转化， 这个转化要求不能影响现存 的h a r t信号。 经过环路负载电阻， 电流信号转化为相应的电压信号， 于是所有设备使用的 就是感应电压接收电路， 这一点对于后面接口电路的设计很重要。 主机传输信号 的峰一 峰值: 最低为 4 0 0 m v ，最高为 6 0 0 m v ;副机传输信号的峰一 峰值:最低为 0 . 8 m a ， 最高为1 .2 m a ; 加载到2 3 0 0的电阻上转化成的电压信号的最低值为1 8 4 m v，加载到 1 1 0 0 4 的电阻上转化成的电压信号的最低值为 1 3 2 0 m v :正确接收 时的接受器的灵敏度 ( 限定了信号由于线缆和其他部分影响产生的衰减)为 l 2 0 m v - 2 .o v ，接收限 ( 规定的是外部信号干扰和其他非h a r t 信号穿越h a r t 信号的连接线路带来的信号下降) 有8 0 m v 。 从控制系统到阀门处的输出电路传 输的信号水平相同， 与前面不同的是副设备传输的也是电压信号， 这样场设备的 阻抗就形成了环路负载电阻. 第二章 h a r t 消息结构 数据链路层 在h a r t的数据链路层中规定了h a r t帧的格式，实现建立、维护、终结 链路通讯功能， h a r t 协议根据冗余检错码信息， 采用自 动重复请求发送机制， 消除由于线路噪音或其它干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。 数据链路层中的数据结构长度不固定，最长2 5 个字节，寻址范围0 - 1 5 ，当地址 为0 时，则处于4 - 2 0 m a的d c与数字通信兼容状态;当地址为1 - 1 5 时，则处 于全数字通信状态，通信模式为 “ 主/ 从式”或 “ 广播式” 应用层 规定了h a r t消息包中的3 类命令， 第一类是通用命令， 适用于遵守h a r t 协议的所有产品，为符合h a r t 协议的设备提供功能描述;第二类是普通命令， 适用于遵守 h a r t协议的大部分产品，当设备独具有某些功能时，该命令用于 对这些功能的描述;第三类是特殊命令，适用于遵守 h a r t协议的特殊产品， 提供一些特殊的功能描述命令。 h a r t 协议是一个开放的协议， 对于厂家生产的 具有特殊功能的产品， h a r t还提供了 设备描述语言 d d l ( d e v i c e d e s c r i p t i o n l a n g u a g e )以 确保rl操作性。 2 . 2 h a r t通信模式 在数据链路层中的h a r t 协议是一种 “ 主/ 从” 协议，即由主站产生消息，而 从设备只在接收到发送给它的消息后才做出 应答， 在从设备的应答消息中除了已 被接收的确认命令，许多消息中还包含了主机询问的数据。 h a r t 协议允许系统 中同时有两个主机运行， 一个第一主机， 一个第二主机。 第一主机控制系统和其 中的主要的副机， 第二主机是手操机或维护型的计算机， 从设备根据两个主机不 同的地址来向它们分发各自的应答命令消息。在h a r t 通信系统中最多允许带1 5 个从设备进行多挂接通讯。 h a r t f s k 信号方式允许双向数字通讯，不仅可以传 送一般的过程变量， 还可以读取或发送更多的信息到智能现场仪表。 在智能现场 设 备与中 央 控制 或监 测设 备 之间 最 典 型 的 h a r t 通 讯方 式 可以 参 考图 2 .3 12 ) . 模拟+ 数字通讯 图2 . 3 h a r t 协议允许两个主设备同时访问现场从设备 图2 .3 上有两个主站。 在一个h a r t 网络中， 最多可以存在两个主机 ( 第一和 第二主机) 与副设备通讯。 第二主机可以连接在网络任一点， 不影响现存通讯与 第二章 h a r t消息结构 任何一 现场设备通讯。 主站可以是 d c s 也可以 是f c s 。 两个主机通过分配不同的 地址进行通讯。 第一主机负责控制信息的传输，第二主机一般用于系统的维护。 如果主机在额定的时间内 没有接收到指令的应答信息，主机应该再次发送信息， 几次尝试之后， 因为可能从设备或传输链路出现了问题， 主机会取消传输。 在每 一次的传输完成之后， 传送另外一指令之前， 第一主机作短时间的 暂停， 为第二主 机提供插入的机会。 这样通过这种方式， 两个主机就可以 轮流与现场从设备进行 通信。 一般典型的 信息 长度和 延迟可以 在一秒 钟时间内 传输二次 12 1 上面是典型的通讯模式， 实际上在智能现场设备与中央控制或监测设备的信 息往返通讯，根据传输信号的不同，可以分为以下三种通讯模式。 模拟模式 这种模式与以前的模拟通讯相同， 是最简单， 也是常用的模式。 在这种模式 下直接传送 4 - 2 0 m a 的信息量，而不叠加数字控制信息。传输参数的大小用 4 - 2 0 m a间的数值等比例的表示。 这种纯模拟的模式不能体现出h a r t通讯的优势，与以前的广泛应用的模 拟通讯相同， 然而在模拟设备大量存在的今天， 很多情况下它使用的频率最多， 而下面的通讯模式就是带有数字信号的通讯。 模拟+ 数字模式 h a r t 在传送模拟信号同时进行主以 式数字通讯，见图2 .4 。这种模式，允 许来自 副机的数字信息在主设备上每秒更新两次。 4 - 2 0 m a 模拟信号是连续的， 上面叠加的数字信号一般传输的是控制的主要变量. 也就是说， 这种模式下采用 的是模拟十 数字的通讯方式。 h a r t 是半双工协议， 在对信息打包完成后， 必须转换f s k 载波频率， 才可 以 进行传输。 这个转换时间的大小由 载波时间控制规则规定， 在消息前( 序言位 前) 载波开启不应超过5 b i t 时间， 在消息的 最后一个位( 校验位后) 结束之后载波 关闭 也 不应该 超过5 b i t 时间 12 1 主做或笼询j 呐应 应普 图2 . 4 h a r t 主以 ( ma s t e r / s l a v e )通讯 ( 正常h a r t 模式) 注:1 、 模拟+数字或单独数字 通讯不会中断模拟信号 2 、从站对来自 主站的命令1 请求的典型响应时间5 0 0毫秒 ( 每秒两个值) h a r t 协议也支持在一个配置为多副机连接的网络中的一线上连接多个副 机设备，最多可以连接巧个从设备，如图2 .5 。在多挂接应用中，通讯方式限定 为数字主/ 从方式，副设备只做出响应.流经每一个从设备的电流固定，通常为 4 m a 。它是驱动该设备的最小值，它与过程量无关。 第二章 h a r t消息结构 ha只 t 最多可格1 ， 个侧机 多挂接主机 图 2 . 5 h a r t 设备在一些应用中可实现多挂接 在模拟信号和数字信号同时传输的模式下，1 秒钟一般可以传送1 - 2 条消息， 为了获得更高的数据传输速率，不少现场设备采用了另一种方式“ 广播模 式” ，这是一种全数字的通讯模式。 广播 ( 全数字)模式 b u r s t ” 广播模式， 见图2 .6 。 从图中可以 看到， 广播模式只能使用在单个 副机的通信网络中。允许单一的副机连续的广播一个标准的h a r t 响应信息， 而 不必“ 命令应答” 这样， 这是一种全数字的通讯模式。 这种模式减少了主机 的负担，在该模式下主机不需要不断向副机发送命令来得到更新的过程变量信 息 。 同 样 副 机 的 h a r t 响 应 信 息( p v 或 其 他) 不 断 发 出 ， 直 到 主 站 指 示 其 他 命 令。 采用广播模式通讯方式，根据选择的命令不同，数据更新为每秒3 - 4 次。 广柑攫式 匹ta 4 - - 明冲司冲. 全数宇通位倪式一 i + l#le 图 2 . 6 h a r t广播通讯模式 当设备转入该模式后， 从设备重复的发送数据消息， 而不管主机是否接收到 命令。 这些特殊的命令包括开始和停止这一命令操作的命令， 选择命令的特殊命 令 ( 如果采用广播模式，就将使用1 , 2 , 3 号命令， 其他命令作为选用) 。 广播消 息间会有短时间的暂停， 为主设备插入命令停止广播模式操作或开始其他的单一 交换而用。 总的来说， 广播模式只在一个现场设备接入时才有效， 在广播模式下 每秒种传输3 - 4 条消息。 h a r t 协议是便于应用的. 在使用h a r t 协议进行通讯的现场中，不需要改 变传统的4 - 2 0 m a模拟仪表的电缆， 可以 直接用它来载送h a r t 通讯信号。电缆 长度依电缆类型和连接的副机数目 的不同而不同， 一般情况下， 单芯带屏蔽双绞 电缆长度可达3 , 0 0 0 米，多芯带屏蔽双绞电 缆可达1 , 5 0 0 米， 更短的距离可使用非 屏蔽电缆。 基于h a r t 协议进行通讯的不同 模式是深入了 解h a r t 消息内部结构的基 础，h a r t 消息根据不同的通信模式采取不同的组建方式，要想采集出h a r t 帧 中需要的参量信息或是对信息错误和设备故障做出报警动作， 就需要在了解它不 同通讯模式的基础上，分析h a r t 消息结构。 第 二章 h a r t 消息结构 2 . 3 h a r t的消息祯结构 2 .3 . 1 消息结构 h a r t 消息编码成8 b it 的字节流， 通过传统的u a r t ( 通用异步接收/ 发射器) 串行输出每一位，并给每一串数据流加上起始位、奇偶校验位和停止位，总共 1 1 b i t 。这些位的加入使得接收 u a r t可以识别每一特性的开始，检测出信道噪 声和千扰带来的错误。 从图2 .7 中我们可以 看出一个比特序列的完整的特性， 图 中最先发送的是d o . 一卜 。 。 d 1 d 小3 d 4 d 5 d 6 叫p 卜 起始位 闷 一 一 - ，一扭 位 致据一 一- - 一 卜 奇偶 停止位 d o 最先 传送校脸位 图2 . 7 传输流格式 图2 .7 是8 位数据加奇偶效验位的格式。i b m的便携p c机不能直接设置为 这种，也不能在d o s 模式下获得。在调制的时候，如果需要的话，可以 采用一 些低端机的串口 来实现。 大多数同步串口 协议允许内 部特征周期出现在空闲的信 号时段上，但h a r t却不允许出现内部特征的间隔，这样才满足 h a r t消息时 限规则，实际上， 任何超过l b i t 的间隔都将被视为出 错13 1 进一步深入h a r t ， 涉及到h a r t 消息包的结构。每消息包括它的源和目的 地址以确保消息传送到正确的位置， 还有校验位用于确保数据的正确、 完备和通 讯 状态的正常。 消息中的数据位可有可无， 另外还有一些特殊的命令消息。 一般 的消息祯结构可以用图2 . 8 表示. p r e a m b 比 i s t a r t s a d d r i c o m i b c n t i s t a t u s ) c hk 序含开始地址位命 令位位 计数校验位 命令、 通倍和设备状态 图 2 .8 h a r t 消息结构 从图2 . 8 中可以 看到一 般的消息祯结构包括序言位、 起始特征位、 地址位、 位计数和校验位等。 h a r t 5 .0以 前版本的设备一般采用“ 短结构” ， 单一的 现场设备如果只利用 4 - 2 0 m a电 流信号进行测量时， 从设备的 地址都是。 ;否则，对于多设备而言， 从设备的地址是从 1 - 1 5 ， 这种短结构的地址采用随机的方法， 随机分配 1 - 1 5 中 的一个。 h a r t 5 . 0 版本推出了“ 长结构” ， 这种格式的从设备地址具有独一无二 性， 如同每个网卡中物理地址一样， 全世界范围内都没有重复， 一般占5 个地址 字节中的3 8 位。 这3 8 位地址信息包含了生产厂家的代码、 设备型号码和设备识 第_章h a r t消息结构 别码。 这种格式减少了误传输和误接收的可能性。 现在大多数主机设备既支持长 结构又兼容短结构，当从机的应答信号中没有 “ 唯一” 性标识码时.h a r t 5 .0 及其以上的版本提供的0 号命令，就可以用于短帧中的设备地址识别。 也就是说，主机将根据应答信号中是否具有 “ 唯一” 标识码来决定结构格式 为 “ 长”还是 “ 短” 0 p r e a mb l e : 导言字节， 一般是5 - 2 0 个f f 十六进制字节。 它实际卜 是同 步信号， 各通讯设备可以据此略做调整， 保证信息的同步。 例如， 在开始通讯的 时候， 如果使用的是2 0 个f f 导言， 从机应答0 信号时将告之主机它“ 希望” 接 收几个字节的导言， 另外主机也可以用5 9 号命令告诉从机应答时应用几位导言。 s t a r t :起始字节，它将告之使用的结构为 “ 长”还是 “ 短” 、消息源、是 否是广播模式消息。根据消息结构的不同， 发送消息源的不同， 模式的不同，它 具有几个可能值，消息是由主机到从机，并且为短结构时，起始位值为 0 2 ;长 结构时为8 2 。消息是由从机到主机的短结构值为0 6 ;长结构值为8 6 。而为广播 模式传送消息的短结构值为0 1 ，长结构为8 1 。实际上就是通过起始字节中的0 , 1 , 2 和7 位的不同 进行区分， 今后还期望用起始字节中的5 和6 来设置地址和 命令字节间是否出现额外位，当然这还没有被 h a r t通讯委员会通过。一般设 备进行通讯接收到两个f f 字节后，就将侦听起始位。 a d d r : 地址字节， 它包含了主 机地址和从机地址， 如前所述， 短结构中占 1 个字节， 长结构中占5 个字节。 无论是采用长结构还是短结构打包， 因为h a r t 协议中允许两个主机存在， 所以要用首字节的最高位来进行区分。 值为1 表示第 一主机地址，第二主机用0 表示。广播模式是特例，首字节的最高位为0 , 1 的 值将交替出现，也就是说，在该模式下，赋予两个主机的机会均等。次高位为1 表示为广播模式， 短结构 ( 见图2 . 9 ) 用首字节的0 - 3 位表示值为0 - 1 5 的从机地 址，第4 , 5 位赋0 ;而长结构用后6位表示从机的生产厂商的代码，第二个字 节表示从机设备型号代码， 后3 - 5 字节表示从机的设备序列号， 构成“ 唯一” 标 志码。长结构如图2 . 1 0 所示: ma b m0 1口 广 播 模 式 主机地址 图 2 . 9 副机地址 ( 4 b it ) 短帧地址结构 字节 叫升 一 卜s a - - 一 一 下 三 三 一三 一 三 一 三 _i _i 广 播 模 式 主机地址 副机地址 ( 3 8 b it ) 图2 . 1 0 长帧地址结构 第 _ 子i i a r i 消息结构 另外，长结构的低3 8 位如果都是0的话表示的足) 一 士 击 地址，即消息发送给 所有的设备。 c o m:命令字节，它的范i n 为2 5 3个，用 h e x的 0 - f d农 1 a 3 1 , 1 2 7 , 2 5 1 , 2 5 5 为预留值。后面将详细介绍。 b c n t : 数据总长度， 它的值表示的是b c n t卜 个 补 讨帕乏 后 ( 不包括校 验字 竹) 的字节数。 接收设备用它可以鉴别出校验 井-1 i . 也. ， 以知a i i ? 肖 息 、 的结束 因为规定数据最多为2 5 个字节，所以它的值是从0 到2 7 s t a t u s :状态字节，它也叫做 “ 响应码” ，顾名恐义，它只存在j 几 从机响 应主机消0 、 的时候， 用2 个字节表示， 这两个字t y了 一 种类s 1. 的信息: 通讯 中的错误、 接收命令的状态( 如: 设备忙: 无法识别命令等) 和从机的操作状态。 如果在通讯过程中发现了错误，一首 字节的最高位 ( 第7 位) 将片1 ,j 七 余的 7 位将汇报出错误的细节，而第 2个字竹全为 0 a否则， 伪 山 一 i 竹 的最.气 位为 0 时， 表示通讯正常， 其余的7 位表示命令iinj j ;l 干1份 况， 第2个 二 竹 表示场设备状态 的信息。 u a r t发现的通讯错误一般有: 奇偶校验、 溢出和结构错i i ; 等。命令响应码 可以有 1 2 8 个，表示错误和警告，他们可以是单 一 的怠义，也, if 以有多种愈义， 通过特殊命令进行定义、 规定。 场设备的状态包括错 : i ii j l 和 1 曰洲 某 作模式或 情况而不必是错误的设备。对这个字节的分析是后而进行报件设计和操作的华 础，电路会根据不同的状态字节的含义采取不同的动作。 命令响应码 ( 0 - 1 2 7 的整数表示)分为错误或者警告，少 毛 有单 一 的意义或者 多重意义。表2 . 1 就给出了每 一 类型的范围。 表2 . 1 响应命令范围 错 误 警 告 丝 多意石二，1 1-7 , 16-23 , 32-649-13 , 15 , 28 , 29 , 65-9州 8 2 4 - 2 7 1 4. 3 0. 9 6 - i 】 1 31 、 1 1 2 - 1 2 7 许多设备提供的状态信息可以编码成一条字节。 设备状态字节的第4 位可 以设置是否命令 “ 可用多意， :4 8号命令可以读额外的信迎 、 ，而对 4 8号命令的 响 应可以自 定 义， h a r t 5 .0 版本 后6 到1 3 号有 不同 的 意义， 包 括操作 模式( 未 定义的) 和复合模拟输出的状态，其余的可以自山支配。( 注:8号 和1 4 号码是 “ 警告” 类，其余的是 “ 错误” ) 。 d a t a :数据字节，首先我想说明的是并非所有的命令和响应都包含数抓字 节，它最多不超过2 5 个字节 ( 随着通讯 速度的提高，l ul 要求放宽这 1 标准) 。 数据的形式可以是无符号的整数( 可以是8 , 1 6 , 2 4 , 3 2 位) ， 浮点数( 用i e e e 7 5 4 单精浮点格式) 或a s c 口 字符串， 还有预先制定的单位数据列表。 共体的数据个 数根据不同的命令而定。 c h k :奇偶校验，方式是纵向奇偶校验，从起始字节1 1 始到奇偶校验前一 第二章h a r r 消息结构 个字节为止。另外，每一个字节都有1 位的校验位，这两者的结合可以检测出3 位的突发错误。 通常情况下，在应答模式 ( 主/ 从模式)下 1 秒钟可以进行两次通讯，在广 播模式下，每秒钟可以传送 3 条消息。 2 . 3 . 2 h a r t的操作命令 操作命令处于应用层， 包括通用命令、普通命令和特殊命令。 通用命令的范 围从 0 - 3 0 ，它提供给所有的面向h a r t协议的设备，表2 .2中只给出了部分通 用命令的含义。 详细的介绍需要查询专门的资料， 另外， 还可以比较早期版本和 现在的不同。 表2 .2通用 命令 摘 要 3 1 命令功能 0. 1 1 设备识别 ( 厂商、 设备类型、 版本) 1 、2. 3 读测量值 6 里随选地址 1 2 . 1 3 . 1 7 . 1 8 读、写用户输入文本信.息 1 4. 1 5 读设备信.0- 传感序列号， 传感限， 报警操作，范围，传输 结构 ) 1 6, 1 9 读、写最终装配号 普通命令的范围是从3 2 到1 2 6 。 它提供了大多数设备的功能命令， 表2 .3 给 出了部分普通命令的含义。 表2 .3 普诵命今摘要3 1 3 3. 61 、 1 1 0 读测量值 3 4 - 3 7 . 4 4 . 4 7 设置操作变量 ( 范围、时限、p v值、传输功能) 3 8 复位 “ 结构变 化”标志 3 9 e p r o m 4 空 制 4 0- -4 2 对话功能 ( 固 定电流模式、自 测、复 位) 4 3 . 4 5. 4 6 模拟愉入、输出整流 4 8 读附设备的状态 4 9 写传感器 序列号 5 0 5 6 用传输变量 5 7. 5 8 单元信息 ( 标志、 描述、 数据) 5 9 写所需导言号 6 0. 6 2 - 7 0 使用复合模拟输出 1 0 7 -1 0 9 突发模式拉制 产设备时输入的设备的特殊信息，一般是用户不会改动的，像设备识别号之类。 也可以用于直接读、写存储器。 第二章h a 盯 消息结构 特殊命令的范围是从1 2 8 到2 5 3 ，它提供给现场设备专用的功能。早先，因 为 h a r t设备的地址并非独一无二，因此，设备特殊命令常常将设备型号码作 为数据中的第 i 个字节，以保证命令传输给 “ 正确”的设备。在h a r t 5 .0 版本 之后，由于唯一标识码的使用， 就省略掉了这步骤。 用户若要使用不同设备的特 殊命令时可以参照厂家提供的设备文档。 常用重要命令举例 下面是对常用的几条命令的说明， 它们可以说是后面正确进行信号的采集和 报警的前提。 0 号、1 1 号命令用于识别现场设备。 无论采用长结构还是短结构都可以 标识现场设备，应答0 号命令的信息中就包含了对不同设备的标识，然后， 主机建立不同的标志，为随后的长结构命令做准备。在 h a r t 4 .0版本及以 前， 传输类型码分为两字节: 一个是生产厂商代码， 另一个是设备类型代码。 而两个字节还可以节略。 到了5 .0 版本就必须使用充扩的代码表示设备信息， 还用i d号代替了最终流水线号。 例如:对于5 . 0 版本前的设备，一个主机通常以0