HART现场总线技术及产品开发.ppt

1、HART现场总线技术及产品开发,沈阳中科博微自动化技术有限公司 中国科学院沈阳自动化研究所,主要内容,HART现场总线技术简介 HART现场总线产品解决方案 HART现场总线产品开发实例 HART现场总线产品认证流程 HART现场总线产品合作范例,第一部分 HART现场总线技术简介,HART现场总线技术简介,HART：Highway Addressable Remote Transducer 可寻址远程传感器高速通道 HCF：HART Communication Foundation HART基金会 HART协议是420mA模拟信号向全数字信号过渡的协议。在420mA标准模拟信号上叠加了一个数

2、字信号，原模拟信号仍有效，且数字信号与模拟信号互不影响。 HART协议首先由Rosemount公司于1986年提出。,HART现场总线技术简介,自1989年提出以来，针对智能仪表设计的HART通讯标准一直是世界领先的过程通讯技术。如今，每年全球安装的现场智能设备中，有超过3千万的设备使用了HART通讯协议。,制造商以创纪录的生产量和销售量见证了HART产品的发展 目前应用的智能仪表有75%采用了HART通讯技术。世界各地越来越多的工厂选择优先采用HART产品。在安装的总量，范围和使用的有效性上，还没有其他协议能够接近HART。,HART协议的主要特点,数字能力 访问所有设备参数和诊断 支持多变

3、量设备 在线设备状态 兼容模拟信号 数字和模拟通讯同时进行 兼容现有420mA设备及电缆 互可操作性 事实上完全开放的标准 通用命令和数据结构 增加设备描述语言,HART协议OSI模型,HART协议物理层规范,规定了信号的传输方法、信号电平、设备阻抗和介质。使用双绞线做为传输介质。 模拟信号和数字信号共存是通过BELL202的通信标准实现的。采用频移键控技术（FSK），数字信号“1”以频率1200Hz表示；“0” 以频率2200Hz表示。信号幅值为0.5mA。 由于数字信号“正”、“负”幅值相等，故平均值为“0”。所以对模拟信号无影响。 HART协议中，每个字符有11位，1个起始位、8个数据位

4、以及1个奇偶校验位和1个停止位。,HART 协议物理层规范,HART 协议用一和频移键控技术，基于 Bell 202 物理层 ，来把数字信号叠加到 4 - 20 mA 电流回路中.,1200 Hz,因此 HART 协议不影响 4-20 mA 信号l,“1”,“0”,2200Hz,HART协议物理层规范,连接方式（1）点对点,HART协议物理层规范,连接方式（2）多点,HART协议数据链路层规范,主要概括了由协议编址的设备之间的通信要求 帧格式 HART协议的服务 用户接口原语 传输服务 时限控制 通讯协议能确认三种不同类型的设备 从设备Slave Device BURST模式设备Burst M

5、ode Device 主设备Master Device Primary Master； Secondary Master；,HART协议数据链路层规范,主设备到从设备 从设备到主设备,HART协议数据链路层规范,Secondary Master； 前导符（Preamble） 数值：0 xFF 数量：5 20个 从设备默认为5个，可以通过命令59设置 作用：两个相邻的前导符后跟随一个定界符定义帧的开始。,HART协议数据链路层规范,定界符（Delimiter）,地址类型 0 Poling (1 Byte) Address 1 Unique (5 Byte) Address,扩展字节数量 (Nor

6、mally 0),物理层类型 0 = Asynchronous 1 = Synchronous (i.e., PSK),帧类型 1 BACK (Burst Frame) 2 STX (Master to Field Device) 6 ACK (Field Device to Master),HART协议数据链路层规范,地址（1）短地址,6位轮询地址,现场设备Burst模式标志,主机地址 0 Secondary Master 1 Primary Master,HART协议数据链路层规范,地址（2）长地址/广播地址,14位扩展设备类型码,现场设备Burst模式标志,主机地址 0 Secondar

7、y Master 1 Primary Master,唯一设备标识,HART协议数据链路层规范,HART错误检测,HART协议数据链路层规范,#7是1，该字节包含通讯错误信息 #6 Vertical Parity Error #5 Overrun Error #4 Framing Error #3 Longitudinal Parity Error #2 Reserved #1 Buffer Overflow #0 - Undefined,HART协议数据链路层规范,#7是0，该字节包含命令响应信息 Notification-命令正确执行，返回响应数据 Warning-命令执行有偏差，返回响应数

8、据 Error-命令不能正确执行，响应码指示其原因，没有数据返回,HART响应码（3）第二个字节,指示设备状态，如果发生通讯错误，该字节无意义 #7 现场设备故障，设备检测到硬件错误 #6 组态改变 #5 冷启动 #4 更多的状态信息可用，可以使用命令48 （Read Additional Status Information）获取 #3 主变量模拟输出固定 #2 主变量模拟输出饱和 #1 非主变量超过传感器量程 #0 主变量超过传感器量程,HART服务,HART定时器,HART接收状态机,HART发送状态机,从设备/Burst模式设备状态机,HART协议应用层规范,HART协议的最高层，以命

9、令格式提供编程接口，所有的读写操作都以命令的形式完成。 命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。 通用命令 所有命令必须支持 普通命令 提供多种功能，可以选择支持 专用命令 实现厂商自定义功能 设备族命令 为使用同一类型的传感器的设备提供一系列标准化的功能，使得用户可以不再通过专用命令来访问设备,HART协议DD技术,DDL是用以描述HART现场设备的一种简单结构化文本语言。 HART基金会推出集成开发环境DD-IDE，可以进行DD文件的编译，调试等 Variables:描述包含在设备中的数据。 Commands:描述主设备和现场设备通信所使用的HART命令。 Menus和Edit Di

10、splays：描述手持终端通信其提供用户数据显示方式 Methods:描述发生在主设备与现场设备之间的复杂交互的进程。 Relations：描述数据的逻辑组合。,HART协议版本更替,HART版本5.x，目前大多数HART设备使用的协议版本，基本公开。 HART版本6.x，在版本5的基础上扩展了命令数量，轮询地址由15个增加到63个。 HART版本7.x，最新版本，支持有线和无线两种协议，有线部分只是在命令部分进行了改变其他与版本6相同。,HART命令6.1版本,HART命令7.1版本,第二部分HART现场总线产品开发解决方案,HART现场总线产品开发解决方案,完全重新开发 对HART技术要全

11、面了解，对于新的开发项目存在一定的风险，时间，人员以及项目的开发周期，而对于产品来说产品的稳定时间会更长。 OEM定制开发 不需要对HART技术全面了解，可以节省开发时间，加快产品的推出。,OEM定制开发,根据用户的不同需求分为以下几种 用户只有模拟设备，希望通过增加HART通信卡实现设备的升级。 用户有成熟的数字化传感器技术，希望通过增加HART通信卡实现设备的升级。 用户希望按照用户的设计方案重新开发HART通信卡。,HART现场总线产品开发流程,整体设计阶段 硬件板卡结构设计 软件整体架构设计 开发调试阶段 硬件板卡的制版及调试 软件代码编写及自测 测试认证阶段 硬件板卡的电磁兼容测试

12、软件协议国际认证测试,HART现场总线产品开发流程,硬件板卡结构设计 液晶显示 按键，硬件跳线 特殊的板卡形状及结构等 软件整体架构设计 确定通讯卡与仪表卡通讯协议 确定支持HART命令 确定液晶，按键，存储等外围驱动,HART现场总线产品开发流程,硬件板卡的制版及调试 硬件原理图及PCD制版 板卡调试，各类驱动调试 软件代码编写及自测 完成所有代码编写 自测各项功能，包括通讯，数据存储，液晶显示，按键操作等等,第三部分HART现场总线产品开发实例,HART现场总线产品开发流程,HART智能套卡硬件逻辑,仪表卡,通讯卡,显示卡,端口卡,传感器,4-20mA + HART,HART通讯卡概述,H

13、ART通讯卡符合通信基金会HCF的总线协议规范，用于完成各种传感器信号到现场总线信号的转换。,通讯卡与仪表卡、端口卡、显示卡嵌入在现场设备中，连接组装成智能仪表，完成各种采集和控制功能。可用于对传统仪表的升级换代，从而提高传统仪表的市场竞争力。,HART通讯卡原理框图,HART通讯卡硬件特点及指标,HART智能套卡硬件特点,整机通过SIPAI的EMC测试 整机通过NEPSI本安认证 通过物理层测试规范（HCF_TEST-2R2.2 ）自测 通过链路层测试规范（HCF_TEST-1R2.1）自测 低功耗设计 仪表卡通讯接口：异步串口 显示卡可四个方向旋转 自有调制解调芯片 Microcyber

14、HT1200M,HART智能套卡硬件技术指标,HART圆卡软件结构,HART物理层驱动,数据链路层服务,HART命令,服务原语,驱动接口,用户应用程序开发,命令接口,LCD驱动,磁棒驱动,显示数据文本命令,按键触发通知,存储驱动,读写数据命令,串口驱动,外设串口通信,HART协议软件,外设驱动程序接口,HART圆卡软件支持,支持全部通用命令。 目前支持和压力变送器相关的部分普通命令，可以根据需求支持全部的普通命令。 对特殊命令需要DD的支持 开发DD可以购买DD-IDE开发环境。 代码全部有C语言编写，没有操作系统，移植方便。 HART圆卡兼容Rosemount 375/275，HK375手持

15、器,HART实现压力变送器,硬件环境 MCU MSP430F149 FLASH 60KB,RAM 2KB,ERROM 512B 软件环境 C语言 无操作系统 IAR FOR MSP430 V3集成开发环境 DD-IDE集成开发环境,HART实现压力变送器,步骤1：确定设备基本信息,步骤2： 确定与传感器相关的变量、量程、单位等信息,步骤3：参考HART相关设备行规，确定需要支持的普通命令,步骤4：根据自身需要确定需要实现的特殊命令,步骤6：确定需要液晶显示的内容,步骤5：参考HART的设备描述规范为特殊命令编写DD文件（可选）,步骤7：确定磁棒本地操作的内容,步骤8：确定和传感器仪表卡的通信内

16、容，调用驱动函数实现对传感器的读写操作,HART实现压力变送器,基本步骤1确定设备基本信息。 厂商ID号 设备类型号 通用命令版本 传输规范版本 设备软件硬件版本 设备唯一标识号 将这些信息填写到协议软件定义好的变量中。,HART实现压力变送器,基本步骤2确定与传感器相关的变量、量程、单位等信息。 压力作为主变量PV，温度作为第二变量SV。 不同类型的传感器量程可变。 定义基本常用单位KPA,PA,MPA,PSI,BAR等，依据HART规范使用单位索引。 填写相关的用户接口函数，供协议软件调用。,HART实现压力变送器,基本步骤3参考HART相关设备行规，确定需要支持的普通命令。 命令34写主

17、变量阻尼值 命令35写主变量量程 命令36用当前值设定主变量量程上限 命令37用当前值设定主变量量程下限 命令38复位组态改变标志 等等 有些命令有接口函数可以调用，有些需要自己实现,HART实现压力变送器,基本步骤4根据自身需要确定需要实现的特殊命令。 根据传感器设计要求，需要自己定义对这些命令的响应数据。 基本步骤5参考HART的设备描述规范为特殊命令编写DD文件。(可选) 可以使用DD-IDE为特殊命令编写DD文件，节省时间，有编译器，可以仿真调试。 也可自己使用文本编辑器直接编写，但会花费很多时间，并且无法进行仿真调试。,HART实现压力变送器,基本步骤6确定需要液晶显示的内容。 对于

18、压力变送器，需要显示主变量压力值和第二变量温度值这些最基本的数据。 显示数值的同时显示当前使用的单位，以及上下限报警提示符。 直接调用接口函数即可显示文本和数字等信息。 基本步骤7确定磁棒本地操作的内容。 对于压力变送器，需要实现零点校准、上下量程校准等功能。 驱动程序只提供磁棒插入和拔出信息，用户程序可以通过查询方式获得。 根据需要的功能，由用户自己编写磁棒操作的具体程序。,HART实现压力变送器,基本步骤8确定和传感器仪表卡的通信内容，调用驱动函数实现对传感器的读写操作。 调用串口驱动函数实现圆卡和仪表卡的串口通信功能。 例如，将压力变送器的校准数据存储在仪表卡中，HART圆卡程序可以通过串口通信获得校准数据。 再如，压力传感器的原始数据有仪表卡来计算，通过串口传递给HART圆卡。,第四部分HART现场总线产品认证流程,HART设备认证流程,申请成为HART基金会会员,注册HART设备，获得设备号,对HART设备进行自测,在基金会对HART设备进行测试,测试通过，获得基金会的认证,对HART设备DD进