HART-протокол

Размещено на http://www.allbest.ru/

HART-протокол

Введение

HART - протокол (Highway Addressable Remote Transducer - "магистральный адресуемый удаленный преобразователь") является открытым стандартом, т.е. поддерживается всеми ведущими производителями в области промышленной автоматизации. Как и большинство сетей промышленной автоматизации, HART-протокол затрагивает 1,2 7 уровни модели OSI (Open System Interconnection).

Рисунок 1 - «Укороченная» модель OSI для промышленных сетей

Наличие физического уровня говорит о том, что данный стандарт сетевого обмена включает в себя не только протокол взаимодействия устройств, но и требования к аппаратуре канала связи, поэтому устоявшийся термин "протокол", означающий алгоритм взаимодействия устройств, применен здесь не совсем корректно. Стандарт HART был разработан в 1980 году фирмой Rosemount Inc., которая позже сделала его открытым. HART поддерживается и распространяется специально созданной организацией HART Communication Foundation (HCF). Эта международная организация объединяет как пользователей, так и производителей HART устройств, а также координирует все работы, связанные с популяризацией и дальнейшим развитием HART протокола. Она распространяет соответствующую литературу и имеет банк данных с описаниями HART приборов самых различных производителей.

Передача данных основана на частотной модуляции (Frequency Shift Keying - FSK) в соответствии с распространенным коммуникационным стандартом Bell 202. Цифровая информация передается частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логический 0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал.

Основные характеристики HART-протокола

Принцип передачи данных

Принцип передачи сигналов построен на модуляции высокочастотными посылками основного аналогового сигнала.

Рисунок 2 - структура сигнала HART

Из приведенного рисунка заметно, что обмен цифровыми данными происходит токовыми высокочастотными посылками, где логическому «1» соответствует ВЧ-сигнал с частотой 1200 Гц, а логическому «0» соответствует 2200. При этом частотномодулированный информационный сигнал суммируется с низкочастотным сигналом токовой петли 4-20 мА.

Поскольку физический уровень передачи организован так же, как у токовой петли, имеет смысл рассмотреть подключение данного интерфейса. Сопротивление  выбирается так же, как и в токовой петле и служит для преобразования тока 4...20 мА в напряжение.

Рисунок 3 - построение «токовой петли»

Рисунок 4 - схема приемника интерфейса «токовая петля» на примере микросхем Analog Devices

Рисунок 5 - схема передатчика интерфейса «токовая петля» на примере микросхем MaximIntegrated

В частном случае HART-протокол может использовать только цифровой сигнал, без аналогового, или только аналоговый сигнал 4...20 мА, без цифрового.

В случае, когда ведомым устройством является не датчик, а исполнительное устройство (например электромагнитный клапан), аналоговый сигнал в форме тока должен передаваться от ведущего устройства к ведомому и источник тока должен находиться в ведущем устройстве Поскольку HART устройства содержат микроконтроллер и МОП-ключи, необходимое для этого переконфигурирование передатчика и приемника выполняется путем подачи соответствующей команды.

HART-устройства всегда содержат микроконтроллер с UART и ППЗУ (перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство). Цифровой сигнал, сформированный микроконтроллером, преобразуется в UART в непрерывную последовательность бит, состоящую из двоичных слов длиной 11 бит каждое Каждое слово начинается со стартового бита (логический ноль), за которым следует байт передаваемых данных, затем бит паритета и стоповый бит.

Рисунок 6 - Схема подключения узла

Рисунок 7 - Схема многоточечного подключения

Сформированная таким образом последовательность нулей и единиц передается в модем, выполняющий частотную манипуляцию (ЧМ). Полученный частотно-манипулированный сигнал передается в интерфейсный блок для формирования напряжения, подаваемого в линию связи (напомним, что от контроллера к датчику передается сигнал в форме напряжения, а обратно - в форме тока).

Однако HART-устройства могут быть объединены в сеть. Для этого используют только цифровую часть HART-протокола, без аналоговой, а информация передается в форме напряжения, что позволяет соединять HART-устройства параллельно. Максимальное количество устройств в сети может составлять 15, если не использовать HART-повторители (ретрансляторы, репитеры). HART-сеть может иметь произвольную топологию, поскольку при малых скоростях передачи (1200 бит/с) эффектов, характерных для длинных линий, не возникает.

Передаваемые сообщения

Рисунок 8 - телеграмма HART-протокола

Рисунок 9 - описание полей телеграммы HART-протокола

Рисунок 10 - Преамбула, стартовый бит

Преамбула представляет собой последовательность единиц и предназначена для синхронизации приемника с передатчиком. Длина преамбулы зависит от требований ведомого устройства. Когда ведущее устройство выполняет обмен с ведомым первый раз, оно посылает максимально длинную преамбулу, чтобы обеспечить надежную синхронизацию. В ответе ведомого содержится требование к длине преамбулы. Эта длина сохраняется в памяти ведущего устройства и используется в последующих сообщениях. Поскольку различные ведомые могут иметь различные требования к преамбулам, ведущий формирует в своей памяти таблицу преамбул. В настоящее время все новые устройства имеют преамбулу длиной 5 байт.

Рисунок 11 - адресация

hart протокол промышленная автоматизация

Каждое HART-устройство должно иметь уникальный адрес. Посылаемые ведущим устройством адреса декодируются одновременно всеми устройствами, находящимися в сети. Однако отвечает только то устройство, чей адрес совпадает с принятым.

Метод адресации в HART протоколе содержит несколько потенциальных проблем. Стандартом предусмотрено два вида адресов: короткий адрес (длиной 4 бита) и длинный адрес (длиной 38 бит). В настоящее время используется комбинация короткого и длинного адреса. Длинный адрес устанавливается изготовителем HART-устройства и не может быть изменен пользователем.

Когда новое устройство подключено к сети, возникает проблема, как узнать его длинный адрес, поскольку для того, чтобы считать из памяти HART устройства его адрес, к нему надо сначала обратиться, а обращение уже требует знания адреса. Перебрать все адреса невозможно, т. К. их очень много ( ). Проблема решается применением команды с номером 0, которая использует короткий адрес для обращения к устройству и позволяет считать из него длинный адрес.

Обычно перед монтажом сети сначала считывают длинные адреса всех устройств и составляют их базу данных, и только после этого строят сеть.

Существует второй способ узнать длинный адрес устройства - с помощью команды с номером 11, которая обращается к устройствам не по адресу, а по имени тега. Она применяется, если в сети более 15 устройств (это возможно, если используются повторители) или если устройствам не присвоены короткие адреса.

Контрольная сумма

Контрольная сумма используется для обнаружения ошибок в данных. Если ошибка обнаружена, обычно выполняется повторный обмен сообщениями.

Байт контрольной суммы содержит результат операции «логическое ИЛИ» над всеми байтами от признака старта до байта контрольной суммы.

Размещено на Allbest.ru