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基于HART协议检测仪表通信软件的开发 南京理工大学硕士学位论文基于HART协议检测仪表通信软件的开发姓名李捷申请学位级别硕士专业计算机技术指导教师符意德;张学智xx1101工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发Y624147摘要随着信息技术的飞速发展，引发了自动化系统结构的变革，并逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统，顺应这一形势发展起来的现场总线是当今自动化领域技术发展的特点，它是一种被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，它的发展已是大势所趋。 本课题研究的内容主要是开发出符合H ART通信协议的通信软件，来仿真智能测速仪表与主系统的通信。 该软件主要是在实验室采用单片机开发系统进行模拟仿真。 其中智能测速仪表作为从设备(即下位机)，主系统是主设备(即上位机)。 上位机用一台计算机进行模拟，且用VB语言开发，下位机用单片机开发系统进行模拟，用51汇编语言开发。 我国大部分国有企业的自动控制系统都是模拟控制系统，现场的仪器仪表、调节器都是模拟的，并使用15V的直流电压或4-20m A的直流信号进行传输与控制，要使得这些模拟控制系统一下子全部转化为全数字控制系统，显然不太符合实际，一是需要大量的资金投入，二是需要培训和配备大量的新的技术人员。 本课题主要是编写基于H ART协议的通信软件，因此本文首先对H ART协议本身进行详细地介绍，然后介绍编写软件所涉及到的数值计算。 接着介绍软件的编写情况(包括软件所采用的通信模式和机制、工作过程、具有的功能等)。 最后对信号测量的误差及如何减少误差做一定的分析。 关键词H ART协议，检测，数值处理，通信工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发AbstractTherapi ddevel opm entof i nform ationtechnol ogycausesgreatchangeofsystem icstructure ofautom ation，w hi ch gradual l ypose enterprises inform ationsystembased onautomati onsystemofw orkintegrati on，fi eldbus w hichconform sw i th this trendanddevel opsis hottopici natttom aticfi eldnow adays,w hich isal lopening，di gitalandm ulti drop m uni cati oncontrolw orkof lowl ayerfi eldbus wi llbe thetrend ofdevelopmentH ARTm uni cati onprotocoli ntroducedinthepaperi srudi ment offi eldbus，which permi tstransferring digi talsignalonanal ogsignalci rcuit andbelongtotransi tionalprotoci lduring transffion fromanal og systemtodigi talcountry,a lot ofanalogtransm itters，and meterssystemButi nmysti llexi st，and speciallyi nsm all andniddl esi zedenterpri ses，controlsystem saremostl yanal ogic systemanduse420m Atoim plem enttransm issi on and controlcurrentsignal sor1-5V voltage signal sofinform ation；hencetransfonni ngtooveralldi gitalcon仃olsystemi sapparentlyunreal isti c，productsthat useH ARTprotocolfurtherconformto thesi tuationandfact ofmycountrythi spaperfirstl yintroduce H ARTprotocoldetal ledl y,andthen num eri calprocessi ngi srem ended，subsequentl y，I muni cati onm akedetail edrem endationaboutm easuring munication method andm echanismadoptedi nvolvedfuncti ons)At lasM heerrorofsi gnalm easuringandhowto reduceitareanal yzedmetersoftw arebasedonH ARTprotocol(i tincl udesinsoftw are，operati ngprocessanddefi nitelyKeyW ordsH ARTProtocol，numericalprocessing，m easuring，corm nunication2工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发1绪论11前言进入2l世纪，随着计算机、通信、网络等技术的飞速发展，信息交换正在覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。 全球市场的形成使得企业之间的竞争空前加剧，为了适应市场竞争的需要，必须把市场、生产计划、制造过程、企业管理、售后服务看作一个统一的生产过程，提高产品的生产效率，加快产品的更新换代，这就导致了众多企业不得不加快提高自身控制系统的自动化程度，从现有的模拟控制系统向全新的数字控制系统转化，引起了自动化体系结构的深刻变革，现场总线技术就是顺应这一历史潮流而发展起来的一项新技术。 现场总线【11121是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多节点通信的底层工业控制网络。 这种技术将微处理器或单片机置入传统的测量控制仪表，使它们各自具备了数字计算和数字通信的能力，这为各个智能设备之间，以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交换奠定了基础。 简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场设备为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 因此把现场总线技术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。 现场总线是20世纪80年代在国际上发展起来的。 随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧下降，计算机和计算机网络系统得到了迅速的发展。 而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换。 要想实现整个企业的信息集成，实现综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境下运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信。 实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。 现场总线就是在这种背景下产生的。 它作为过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通等领域智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高的控制网络层之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。 在现场总线技术诞生的初期，它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器(programm ablel ogic control l er，PLC)以一种较简洁的方式连接起来。 随着计算机技术引入PLC。 计算机通信技术被引入现场总线；PLC功能的增强对现场总线提出了更高的要求，计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能，成为现场总线技术发展的主要趋势。 现代计算机通信技术有能力延伸到现场，现场总线技术中也会不工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发断地融入计算机通信技术，但是计算机通信技术不会取代现场总线。 由于现场总线适应了工业控制系统向着分散化、网络化、智能化发展的方向。 它的产生受到全世界的关注。 并引起目前的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器在产品的体系结构、功能结构方面的重大变革。 传统的模拟仪表将逐步让位于智能化数字仪表。 并具备数字通信功能。 现场总线导致了传统控制系统结构的变革。 形成了新型的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统FCS(fi eldbuscontrol system)。 这是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统后的新一代控制系统。 在20世纪50年代以前，检测控制仪表处于发展的初期阶段，这种仪表只具备简单的测控功能，是一种气动仪表，其信号仅在仪表内起作用，不能传给别的仪表或系统，也无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视才能了解生产的状况。 后来，随着生产规模的扩大，操作人员需要了解多点的运行参数和信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。 生产现场各处的参数通过统一的模拟信号，如00201M pa的气压信号，010m A、4-20m A的直流信号，15V的直流电压信号等，送往集中控制室。 操作人员可以在控制室看到生产流程各处的状况。 由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，抗干扰能力差，于是人们开始用数字信号来取代模拟信号，但由于当时的数字计算机尚不发达、价格昂贵，人们企图用一台计算机来取代控制室的几乎所有的仪表盘，出现了集中式控制系统，由于当时数字计算机的可靠性较差，一旦计算机出现故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产停止的严重局面，这种危险的集中性很难为生产过程接受。 后来，随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器以及由多了计算机构成的集中与分散相结合的集散控制系统，即DCS。 它是一种模拟数字混合系统，这种系统在功能上较集中式控制系统有了很大的进步，但DCS系统在形成的过程中，由于受计算机早期存在的系统封闭这一缺陷的影响，各厂家的产品自成系统，不同厂家的设备不能互连在起，因此，为组建更大范围的信息共享的网络系统造成许多困难。 新型的现场总线控制系统则突破了DCS系统在通信中用专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把封闭、专用的解决方案公开化、标准化，使不同厂商生产的自动化设备遵守同一协议规范，把这些设备通过现场总线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能，由于这些设备遵循同一协议规范，因此可以互相传递信息，及与符合同一协议规范的更高的系统进行通信。 在要求通信的数字化，提高传输效率的背景下，世界各大公司相继推出了自己的智能化仪表，比如，H oneywel l公司于1983年推出了Sm ar智能变送器，它在仪表中嵌2工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发入了微处理器芯片，在原有的模拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能之外，还在输出的4-20m A直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接过渡到了数字信号，随后，Rosem ount公司也推出了自己的智能仪表，它还采用了自己的H ART通信协议，为现场总线的诞生奠定了基础。 本文所使用的H ART通信协议从实质上讲，它不是一种真正的现场总线，它是一种从模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性的协议，是现场总线的雏形，但它从技术上为人们建立了一座从模拟到数字过渡的桥梁。 在我国，目前大量使用的还是模拟变送器(420m A)，而智能变送器、现场总线才刚刚开始推广使用，智能变送器的市场前景不可估量，而基于H ART协议的智能变送器更适合我国当前的国情，据行业人士预计，到xxxx年，国外H ART产品处于顶峰期，在国内可能还会往后推迟，可以说，我国自动化仪表工业证面临着一个振兴的契机，基于H ART协议技术将大有可为。 12论文研究的重点和意义目前，我国大部分国有企业的自动控制系统都是模拟控制系统，现场的仪器仪表、调节器都是模拟的，并使用15V的直流电压或4-20m A的直流信号进行传输与控制，要使得这些模拟控制系统一下子全部转化为全数字控制系统，显然不太符合中国实际，一是需要大量的资金投入，二是需要培训l和配备大量的新的技术人员。 因此，需要一种从模拟控制系统向数字控制系统转化的过渡性协议，在此背景下，HART(H ighw ayAddressable Remote Transducer)通信协议应运而生，H ART通信协议最早是由Rosem ount公司开发，并得到八十多家仪表公司的支持，并于1993年成立了H ART通信基金会，简称H CF，这种被称为可寻址的远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有的模拟信号传输线上传输数字信号，也就是能在现有的4-20m A模拟信号传输线上传输数字信号，因此，在当前的过渡时期，具有较强的市场竞争力。 H ART通信协议的推广和应用对于深化企业改革，加快老牌国有企业的系统改造，降低产品消耗，促进企业发展，具有重大的现实意义。 1_3目前国内外研究现状及其课题背景在计算机控制系统出现以后，工程实践中广泛使用模拟仪表系统中的传感器、变送器和执行机构。 其信号传送一般采用420m A的电流信号形式，一个变送器或执行机构需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。 这种传输方法使用的导线多，现场安装及调试的工作量大，投资高，传输精度和抗干扰能力较低，不便维护。 主控室的工作人员无法了解现场仪表的实际情况，不能对其进行参数调整和故障诊断所以处于最底3工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发层的模拟变送器和执行机构成了计算机控制系统中最薄弱的环节，即所谓DCS系统的发展瓶颈。 从“九五”起，我国政府开始投资支持现场总线的开发。 这期间国家机械工业局、教育部和中科院组织力量对H ART、FF等现场总线展开研究和开发。 到现在已经取得了阶段性成果，H ART仪表已经开始批量试用，FF仪表也即将投入试用。 此外还有一些企业自筹资金开发现场总线。 但是总的来说暂时还不能满足广大用户的要求。 国内企业要推广现场总线产品，目前的主要困难是产品尚不成熟；扩充和配齐品种规格所需的开发力量(资金和人才)不足；市场开发的投入不足。 因此国内企业应欢迎国外企业在我国丌发市场和推广应用。 现场总线的市场打开后，国内企业销售产品会轻松得多。 现在要使用现场总线，客观地说不得不用外国的产品。 但是关于总线的无休止争论使用户无法判断到底应该用哪一种现场总线。 因此现在这种争论已经开始阻碍现场总线在我国的发展。 首先要突出现场总线降低系统投资成本和减少运行费用的优点。 这一点很重要，有了这一基本思想，在进行总线类型的选择和网络设计时，就会有明确的方向。 对计算机通信的主要要求是快。 对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。 这样“陕”就有三种含义。 (1)传输速度快指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。 这条要求与普通计算机通信是一致的。 (2)响应时间短指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。 这个时间是由4个方面决定的仪表或执行器控制中断的能力；信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间等待网络空闲的时间避免信息在网络上碰撞的时间。 由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数，因此大部分通信协议不给这个参数。 过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，并小于一定值。 (3)巡回时间短指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。 这个时间一般可由系统组态来调整。 对那些单纯靠优先级解决实时性的抢先式通信系统，当高优先级事件发生比较频繁时，低优先级事件会长时间得不到响应；对这类通信协议，巡回时间是随机量，预先不可知。 过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。 响应时间和巡回时间反映了实时性，而实时性与通信协议有很密切的关系。 现场总线采用两种技术来实现实时性。 所以现场总线具有以下突出特点1开放性4工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发现场总线控制系统ffCS)采用公开化的通信协议，遵守同一通信标准的不同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。 用户可以灵活选用不同厂商的现场总线产品来组成实际的控制系统，达到最佳的系统集成。 2互操作性互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以统一组态，实现同一的控制策略和”即插即用”，不同厂商的性能相同的设备可以互换。 3灵活的网络拓扑结构现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑结构，如树型、星型、总线型和层次化网络结构等。 4系统结构的高度分散性现场设备本身属于智能化设备，具有独立自动控制的基本功能，从而从根本上改变了DCS的集中与分散相结合的体系结构，形成了一种全新的分布式控制系统，实现了控制功能的彻底分散，提高了控制系统的可靠性，简化了控制系统的结构。 现场总线与上一级网络断开后仍可维持底层设备的独立正常运行，其智能程度大大加强。 5现场设备的高度智能化传统的DCS使用相对集中的控制站，其控制站由CPU单元和输入，输出单元等组成。 现场总线控制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数据采集与补偿、PID运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。 系统的操作员可以在控制室实现远程监控，设定或调整现场设备的运行参数，还能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定位和诊断。 6对环境的高度适应性现场总线是专为工业现场设计的，它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传送数据，具有很强的抗干扰能力。 常用的数据传输线是廉价的双绞线，并允许现场设各利用数据通信线进行供电，还能满足本质安全防爆要求。 自美国Rosem ount公司1989年推出H ART通信协议以来，由于它是一项420模拟信号与数字信号兼容的标准，因此它得到了许多仪表公司的支持，并由此获得了较快的发展，并成立了专门的机构H CF来发展H ART通信协议，不同的仪表公司生产出符合H ART通信协议的产品，Sm ar公司的智能变送器LD301fIT301，M oore公司的XTM340和美国M icroM otion公司的智能变送器RFT9739等，这些智能变送器借助成熟的传感技术、计算机技术以及数字通信技术，它们的技术指标、电气性能远远优越于传统的模拟变送器。 特别是它们具有现场与上位机的通信功能，省去了AD和DA的转换环节，避免了模数转换的误差，节省了大量的电缆和费用。 著名的Ar公司生产的PCSM ART模板，可插入PC机的插槽中，其输出可和15台SM ART设备构成多站网络。 BorstAutom ation公司还丌发出符合H ART协议的H ART通信控件，这个控5工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发件支持H ART协议的通用命令及一些普通应用命令，可用VB、VC等高级语言进行二次开发，大大方便了H ART协议的开发者。 H ART通信基金会也开发出分别在服务器和客户机上使用的H ART通信协议应用软件。 由于它是一项数字信号与420m A模拟信号兼容的标准。 经过几十年的发展，H ART协议已成为智能仪表事实上的工业标准。 据1994年统计，世界上智能变送器市场中符合H ART协议的产品占了76。 目前，世界上已有上百家公司采纳了这一协议。 并且还处于上升阶段。 在国内，对于H ART协议的研究和应用较国外比较晚，但我国已经开始研究和推广H ART协议。 比如北京华控技术责任公司与各仪表厂、研究所合作，研制出符合H ART协议的圆卡，该卡可是用于多种类型的变送器、调节器。 浙江大学工业自动化国家工程研究中心研制出符合HART协议的智能变送器，此外，北京大学重离子物理研究所生产出符合H ART协议的调制解调器H Txx。 这些研究成果已经开始应用于实际的生产中。 由于我国在研究智能变送器、现场总线方面较国外起步较晚，国内智能变送器的市场目前还是国外产品的天下。 但是，相信不久的将来，这种状况可能会有所改变。 在油田领域，需要使用许多汽油机，因此，为了保证生产安全、有效的进行，对汽油机的速度进行实时测量和监控变得尤为重要，本课题就是基于这样一个实际的需求而产生的。 14论文的主要研究工作本课题主要研究的内容是开发出符合H ART通信协议的软件，来仿真智能测速仪表的与主设备的通信。 软件主要是在实验室采用Insi ghtM E一52单片机开发系统进行模拟仿真。 其中，智能测速仪表作为从设备(即下位机)，主系统是主设备(即上位机)。 上位机用一台计算机进行模拟，用VB语言开发，下位机用单片机开发系统进行模拟，用51汇编语言开发。 智能测速仪表是用来测速且具有通信功能的仪表。 本课题设计模拟仿真的仪表主要是用来测量汽油机的转速的。 根据汽油机的工作原理可知，汽油机的转速与汽油机点火脉冲的频率、汽油机的缸数和冲程数有着严格的数学关系，对于某个特定的汽油机而言，其缸数、冲程数是已知的，因此我们可以通过测量汽油机点火脉冲的频率就可以计算出汽油机的速度值。 由于原始的点火脉冲信号电压幅度高，干扰成分多，不宜直接引入智能仪表。 需要处理成05V的标准总线输入信号。 方可输入仪表。 本次设计用信号发生器产生频率信号来模拟经过处理后的点火脉冲信号送入单片机开发系统的一个外部中断输入端(或者一个定时器计数输入端)进行模拟。 主从机之间的通信格式和规范都要符合H ART协议的具体规定。 H ART协议运用了O SI参考模型七层6二程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发中的三层，主要是物理层、数据链路层和应用层。 而软件的开发主要是对数据链路层和应用层的开发。 协议的链路层主要是对通信的数据格式及其不同通信状态如何转换的介绍。 协议的应用层是一些H ART协议命令集，分三类命令通用命令、普通应用命令和特殊命令。 其中通用命令需要所有的仪表都支持，因此，本软件的设计支持所有的通用命令和一些普通应用命令，还附加了测速仪表所特有的特殊命令，如设置汽油机的缸数、冲程数等命令。 本文主要是编写基于H ART协议的通信软件，因此首先对H ART协议本身进行详细地介绍，然后介绍编写软件所涉及到的数值计算。 接着介绍软件的编写情况(包括软件所采用的通信模式和机制、工作过程、具有的功能等)。 最后对信号测量的误差及如何减少误差做一定的分析。 7工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发2H ART通信协议介绍21HART协议简介【3】【4lH ART(H ighw ayAddressableRem oteTransducer)通信协议最初由美国Rosem ount公司开发，目前世界上已有上百家公司支持、使用这一协议。 成立了H ART用户集团(H ARTU serG roup)，1993年改为H ART通信基金会(H ARTCom municationFoundati on)。 H ART协议使用了FSK频移键控技术，在420m A模拟信号的基础上叠加了一个频率信号，它使模拟信号与数字信号双向通信能同时进行，而不互相干扰。 H ART还可以在一根双绞线上以全数字的方式通信，支持15个或更多的现场设备。 并且能对现场仪表的各项特性进行清楚的描述。 H ART协议的特点是具有与现场总线类似的体系结构，它以国际标准化组织的开放性互连模型为参照，使用O SI参考模型15】的l、 2、7三层，即物理层、数据链路层、应用层。 如图211所示。 腿T为崩尸提供刚珞压片|和系统管理以=进制位、字节为主、令牌仲瓤、主鼠桓式在420m摄烈信号上黜口信输频率调$I的数字信号图211O SI参考模型Bel l202信号如图212所示。 叠加在模拟信号基础上的频率数字信号如图213所示。 同时进行模拟剩数半i匝信2颧宰1200H z2200H z逻辑“1“o。 iiii辅剁捌弋矗拟占号lijlllIlI图2，12物理层61用于把设备连接在一起，在不同设备之间传输二进制位流。 它所关心的是把设备连接起来的媒介(如铜线电缆、双绞线)的机械和电气特性，其中物理层的Bel l202信号图213H ART数字通讯信号加在420m A模拟信号上蒜一_=程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发信号特征采用基于Bel l202通信标准的FSK技术，基本内容是波特率1200bps由于此正弦信号的平均值为0，因此H ART通信信号不会影响4-20m A信号的平均值，这就使H ART通信可以和420m A信号并存而不互相干扰。 智能设备要检测出H ART通信的信号，要求它有0，25Vp-p以上的电平，因而二线制智能设备与电源之间至少要有250Q以上的电阻，以免这一信号被电源的低内阻所短路。 H ART通信对现有大多数电缆都适用，采用的电缆长度以电缆类型和连接的设备数目而不同，通常采用带有屏蔽的直径大于O51mm的电缆。 限制信号传输距离的主要因素是电阻、电感与分布电容对信号的衰减。 单台设备使用距离可达3000m，多台设备可达1500m。 在物理层传输二进制位流的基础上，数据链路层用于确保数据在通道上可靠的传输。 它把原始位流组装成包，莠在数据流中增加错误校验码，执行媒介访问控制功能，以确保主设备和从设备在通信信道上按一定的顺序进行互访。 数据链路层17把二进制位流组装成8位字节，加上奇偶校验位，进而组装成信息逻辑11200H z逻辑02200H z帧，H ART通信每次交互都由主设备命令和从设备响应组成。 媒介访问由连接到信道的设备之间的令牌访问组成，使用定时器来计时交互通信的周期，一旦定时器时间到，令牌持有者(是指某一主设备)将释放对信道的控制。 数据链路层规定了通信数据的结构，传输的每个字符由11位构成，其中起始位l bi t8bit数据位奇偶校验位停止位l bitl bit除每个字节有奇偶校验位外，一个完整的H ART数据后还由一个字节的校验和，来对从定界符开始到它之前的所有数据进行纵向校验。 这种纵向和横向校验相结合来增强数据传输的正确性、可靠性，其H ART数据的通信格式如图214所示。 图214H ART数据通信格式主设备、从设备或成组模式设备发送的帧都以一定数目的十六进制字符FF开头，一般为5到20个，这些字符成为帧的前导信号，这些信号在一些物理层的协议实现中使得调制解调器或接收设备对信号频率和随后的字符流同步。 在刚开始通信时，应使用20个前导字符，以便设备通信有更大的成功机会。 捍O命令可以使得主设备知道从9程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发设备要想接收多少个前导字符。 #59命令可以告诉从设备在对主设备的响应中要使用的前导字符数。 一个H ART信息的帧前定界码在一个数据信息的前导码之后，用于表明信息的开始，它有几种可能的值，用于表明帧格式的类型、信息的以及是否是成组模式信息，它使用一个字节的第0位、第1位、第2位和第7位来表明(其余位保留，为以后扩展用)。 其具体情况如表211所示。 表211帧前定界码信息类型短帧妊帧主设备到从设备0282从设备到主设备0686从设备的成组信息0181地址域包括主设备和从设备的地址。 短帻格式的地址用一个字节表示，长帧格式的地址用5个字节表示，在这两种格式中，最高有效位用于表明参与通信的主设备的地址，因此，它只能允许两个主设备被使用，例如一个控制系统和手持通信器。 该位为1则表明是第一主设备，为0则表明是第二主设备，即副主设备。 而在成组模式中，最高位依次为0和1，以便给每一个主设备来终止成组模式的机会。 次高位用于表明设备是否处于成组模式。 为l则表明这个信息是于成组模式下的设备。 (但这并不意味着信息本身就是成组信息)。 低4位是从设备的地址编号，其值范围是O15，只有一台从设备时，从设备的地址编号为0，而有多台从设备时(不超过15台)，则地址为115，不能为0。 接着的两位( 4、5)为从设备的逻辑地址。 在长帧格式中，该地址编号不再被使用，第一字节的高两位与短帧格式一样。 剩余的38位是一个从设备的唯一标识符，原则上，长帧格式通信对连接的设备数不受限制，但可能要受到协议本身和总线供电等限制。 如果全为0，则是一个广播地址。 它可以被所有的从设备接受，这需要通过信息中的数据来决定那一个现场设备该响应，L的n#1I命令使用数据域中带有一个标签的广播地址，所有连接的从设备都接受信息，但只有与信息中的标签相匹配的设备给予响应。 命令域为一个字节长，用于代表不同的H ART命令，从设备从这些命令中来辨识对方信息的含义，从设备把接收到的命令不加改变的返回，特定的命名字节被数据链路层保留，上层协议不得使用。 字节计数域用一个字节表示，用于表明它和校验域字节之间的用户数据的字节数，它的合法值为0-255，但上层协议和应用要求可能限制数据的最大长度。 协议限制数据的最大长度为25个字节，因此，字节计数的取值范围是027(包括两个状态字节)。 工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发状态字节有两个字节组成(有时也被称为响应代码)，它仅在从设备向主设备进行应答时才有，不同的值用于代表即将发生的通信错误种类、被接收的命令的状态或从设备的操作状态等。 例如发生奇偶校验错、现场设备忙、从设备冷启动状态信息等。 一个短帧格式和长帧格式通信的例子分别如图215和图216所示主到从FFl FFlFFI FFl FFl0283131loo80前导码降藤擎习l圜匣曩菱型l，。 曾叫，1?锱卤FFl FF旧m?D6前导码I定界符I地址I命令字节计数l状态字节l数据凰斟图陆正确窿界苻地址命令l字节计数棱驰宇节l83l01l0Tl00l0010G40l Boloo10075湫验字节一ITlO KJ嘲变量值55图215短帧格式通信数据域是用户将要读取或写入的数据，但并非所有的命令或响应都包含数据。 协议本身可能把数据域限制在25个字节之内(在RS一485H ART通信中，这个限制可能被放宽。 )数据域是由无符号整数、浮点数、位图或ASCII字符串等数据格式组成，数据的字节长度、数据的类型和格式针对不同的命令可能会有所不同。 校验和字节(有时也被称为垂直奇偶校验码)是对从帧前定界码到开始到它前面字节之间的所有字节的异或校验和，是对每一个字节都有奇偶校验位的进一步的校验，从而保证信息的完整性、正确性。 这种二维校验可以探测出一个信息中的三个被损坏的位，极大的提高了信息传输的完整性和正确性。 应用层规定了H ART命令，这些命令分为三类第一类是通用命令，它要求所有遵从H ART协议的智能设备，不管它是那个公司的产品，都必须支持。 例如读厂商标识及过程变量等。 第二类命令是普通应用命令，它对大多数设备都适用，但不要求完全一样，如写阻尼时间常数、标定、写过程变量等。 第三类是针对每种具体设备的特殊性而设立的。 它不要求统一。 工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发主到从IFF?FFIFFl FFl82?06H6114E101I来鼷薏擎的l110101Io0000嚅110101i80110601004I匡亟剜olli OI11无0=i的01椋1识II符0001100000i0111100m蓬麟U厂100lBOl前导码l定界符l地址l命令睁节计数l校验字节l睡刍圈_001l O00010100llioIlI鼍厂了笮商i系同L量墨匹!纠从到主IFFI FFIFF?FFI86?06?61I4EIO Il定界符II釉褫b叫由国I圃I皂萨囱图21。 6长帧格式通信l玉器晶FIpS=Sosem otmqi07?oo?40?00100l45II命刽宇节计划状态Il前导码地址数据l。 22H ART协议的通信模式H ART通信协议有两种通信模式【8】【9第一种是主从模式，即问答模式，H ART是一个主从模式协议，这就意味着在正常通信模式下，每一次通信都由主设备先发起。 主设备向从设备发出命令，从设备予以回答。 H ART协议最多允许两个主设备连接到一个H ART环上，第一主设备通常是集散控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)、或者一台个人计算机，第二主设备可能是一个手持通信终端或者另一台个人计算机。 从设备一般是智能变送器和各种智能测量控制仪表，它能对两个主设备中的任何一个主设备发出的命令做出响应。 每秒钟可以交换两次数据。 第二种是成组模式，为了达到更高的通信速率，一些H ART设备支持可选的成组模式通信，在这种通信模式下，无需主设备发出请求，而从设备自动连续地发出数据，犹如它已接收一个命令一样。 传输速率最高可达每秒37次。 特殊命令# 107、# 108、#109用于启动和停止这种操作模式以及选择哪一个命令进入这种模式(在这种模式下，通用命令撑 1、撑 2、拌3必须被支持)。 每一个成组信息后，都有一段短暂的停留，以使主设备有时问发出一个命令来终止这种模式或者来启动其它的信息交互。 这种模式虽能提高传输速率，但它只适用于点对点模式(即仅有一台现场设备连接到一对线上)，而不适用于多点连接方式(如果有多个现场设备，必须确保在某个时刻仅有一台设备被激活以进入这种模式)。 12工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发23H ART通信设备的网络配置方式H ART设备可以工作在两种网络配置状态?。 第一种是点对点模式，顾名思义，这种模式允许仅有一台设备连接到信号线上。 在这种模式下，传统的4-20m A电流信号可用于传输一个过程变量，其它附加的过程变量、配置参数和其他设备数据可以根据H ART协议的标准来进行数字传输。 420m A的电流信号不受H ART数字信号的影响，可用于正常方式下的控制。 且在这种模式下，H ART数字通信信号用于访问第二变量和其它用于操作、诊断、维护的数据信息。 这种模式允许两个主设备连接到一对双绞线上。 该模式下的网络连接如图231所示。 图231点对点操作模式第二种是多点模式，这种模式的操作允许多台设备连接到一对双绞线，在实际应用中，如果有多达15个现场设备，还要求安全隔离栅、辅助电源等，以对仪表进行安全保护和向仪表提供能源。 如果采用总线供电方式，则要求H ART仪表从总线吸收的电流不得大于4m A。 如果现场设备超过15台，则要求用长帧格式通信，且要求对现场设备提供单独电源。 在这种模式下，所有的过程变量都使用数字信号传输，且所有的现场设备的轮巡地址都要大于0(不多于15台的情况)，每一个现场设备的电流值都固定在一个最低值(典型值为4m A)。 这种模式下的网络连接如图232所示。 图232多点操作模式13工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发24H ART协议的特点和优势H ART通信协议是一利t非常强大的通信技术，可充分挖掘数字现场设备的潜力。 在保留传统的420m A电流信号的基础上，扩展了系统与现场设备之间进行双向数字通信的能力，且对智能设备通信提供了最好的解决方案。 在应用中，H ART协议提供了对现有安装设备向后兼容的独一无二的解决方案。 这种向后兼容性使得现有模拟仪表在无需改进的情况下可逐步实现数字化，从而大大降低成本，提高竞争力。 这种特点和优势111j具体有夺模拟信号带有过程控制信息，同时，数字信号允许双向通信。 这样就使得动态控制回路更灵活、有效和安全。 夺因为H ART协议能同时进行模拟和数字通信，因此，在与智能化现场仪表通信时还可以使用模拟表、记录仪及控制器。 夺既具有常规模拟性能，又具有数字性能，在开始时，用户可以把智能化仪表和模拟系统连在一起使用。 在不对现场仪表改进的情况下可逐步实现数字化，包括数字化过程变量。 令支持多主站数字通信(如图241所示)在一根双绞线上可同时连接几个智能化仪表，因此节省了接线和安装费用。 例如油罐监控系统，多变量设备可减少设备、电线和被要求的终端的数量，一些H ART现场设备嵌入PID控制，无须再用独立的控制器，从而大大节省了设备费用。 图241多主站通信系统审可通过租用电话线连接仪表多点网络可以延伸到一段相当长的距离，这样就可使远方的现场仪表使用相对便宜的接口设备。 冷允许主从问答式以及成组模式通信方式。 大多数应用都使用主从问答方式，而那些要求有较快过程数据刷新速率的应用可使用成组模式通信方式。 夺所有的H ART仪表都使用一个公用的信息结构，允许通信主机，如控制系统或计算机系统与所有的与H ART兼容的仪表以相同的方式通信。 从而提高了设备之间的互操作性。 H ART设备描述语言(DDL)【12】扩展了设备的互操作性，DDL还包括特殊设备的特殊信息，使得主设备可以配置和维护任何一个厂商的14工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发H ART通信设备。 大大方便了操作人员。 夺采用灵活的信息结构。 允许增加具有新性能的智能化仪表，而同时又能与现有仪表兼容。 夺在一个信息中能处理4个过程变量，测量多个数据的仪表可在一个信息中进行一个以上的过程变量的通信。 在任一现场仪表中，H ART协议支持256个过程变量。 夺可以提高数据测量的质量，设备的运行参数可以很容易的被监控或者远程修改。 与H ART兼容的设备的多个信息参数能被送到控制室进行控制、维护和纪录，如图24。 2所示。 一些H ART设备具有复杂的计算功能，比如PID控制算法、流量补偿算法等，多变量H ART设备能同时在现场进行测量和计算，这样可以消除时间偏差，比集中送到控制室产生更加精确的计算结果，一些H ART现场设备储存历史记录，从而可以预测发展趋势，得出总结数据。 图242现场设备参数被送到控制室夺厂家为了支持和维护被安装的设备，需要在接线、模拟控制器、接线盒、安全隔离等方面进行许多投资，而H ART现场设备通过提供带有可提升的数字能力的兼容仪表来保护这种投资。 随着需求增加，更高级的PC系统能够提供对设备状态和配置参数进行连续监视。 状态信息可以被送到控制系统，来触发诊治行动，同时，H ART协议版本具有兼容以前旧版本的特性，具有新版本H ART协议的设备仍然可以与早期版本的主机系统进行通信。 以保护以前的投资。 25基于H ART协议的数据链路层通信规范【13】H ART协议是建立一种与现场仪表等从设备间的可靠得双向数字通信通道，数据通信与4-20M a电流的传输在双绞线上同时进行。 对通信中因噪声引起的错误进行修正，这是通过错误检测信息及自动重发请求协议，对被噪声或其他干扰破坏的数据进行自动重发实现的。 只允许一个激活态的主设备、一个激活态的副主设备和一个激活态的成组模式设备并存，不支持一个以上的任何一种设备同时激活。 协议给两种主设备(如控制系统和手持通信器)访问从设备以相同的优先级，允许它们在链路上交替通信。 当然，如果两种主设备在发生不可仲裁的同时进行访问时，15工程硕士论文基于H ART协议检测仪表通信软件的开发协议可以给予不同的优先级来防止通信链路死锁。 这种仲裁机制是基于隐含令牌的简单规则。 251发送及接收原语的状态转换模型发送和接收的状态的转换的实现方式是通过IO驱动器的中断来实现的。 在如图2511所示的接收状态转换图中，IO驱动器首先监视前导信号和定界符，若字符间隔过大，发生奇偶校验错，或收到的字符不是前导信号和定界符，则RCV M SG(表示接收信息的状态)状态被设定为出错，若收到一系列有效的前导信号和定界符，则RCV MSG设定为接收数据的类型(请求、应答或成组信息)，然后处理剩余的部分，直到信息传输结束，若