HART通讯协议解析

单击此处编辑母版样式,单击此处编辑幻灯片母版样式,第二层,第三层,第四层,第五层,#,#,#,第八章,HART,通讯协议,崔长 彩,机电学院测控系,主 要 内 容,8.1 HART 协议简介,8.2 物理层技术标准,8.3 数据链路层技术标准,8.4 HART 命令简介,8.5 HART 应用,主 要 内 容,8.1 HART 协议简介,8.2 物理层技术标准,8.3 数据链路层技术标准,8.4 HART 命令简介,8.5 HART 应用,8.1 协议根本情况,1、420mA模拟信号+数字控制信号FSK技术,2,、支持双绞线全数字通信，可构成,15,个站网络,3,、支持,OSI,开放体系结构，,1,、,2,、,7,、层,OSI Layer,Function,HART,7,Application,Provides the User with Network,Capable Applications,Provides the User with Network,Capable Applications,6,presentation,Converts Application Data Between,Network and Local Machine Formats,5,Session,Connection Management Services,for Applications,4,Transport,Provides Network Independent,Transparent Message Transfer,3,Network,End to End Routing of Packets.,Resolving Network Addresses,2,Data Link,Establishes Data Packet Structure.,Framing,Error Detection,Bus Arbitration,A Binary,Byte Oriented,Token Passing Master/slave Protocol,1,Physical,Mechanical/Electrical Connection,Transmits Raw Bit Stream,Simultaneous Analog&Digital Signaling.Normal 4-20mA Copper Wiring,通 信 模 型,HART,命令,数据链路层协议标准,Bell 202,物 理 层,基于Bell 202 通信标准的FSK 技术，根本内容：,波特率 1200bps 速度较慢,逻辑1 1200HZ,逻辑0 2400HZ,载波传输,数据链路层,1bit,起始位,+8bit,数据,+1bit,奇偶校验位,+1bit,停止位,最多,25,字节,规定通信数据的结构，每个字符由,11,位组成：,应 用 层,规定,HART,命令：,第一类通用命令,第二类普通应用命令,第三类专用命令,HART,通讯模式,第一种“问答式：2 次/秒，,适用点对点、多站连接,第二种“成组模式：3.7 次/秒，,只适用点对点连接,HART,协议特点和优点,1,、模拟信号带有过程控制信息，数字信号允许双向通信。,2,、,(,智能化现场仪表,+,模拟仪表、记录仪及控制器,),混合,系统,3,、支持多主站数字通信，节省导线，减少安装费,4、通过租用 线连接仪表，使远方的现场仪表使 用相,对廉价的接口设备。,5、允许“问答式及“成组模式通信方式。,6、报文结构灵活、标准、一次通信可携带4个过程变量,主 要 内 容,8.1 HART 协议简介,8.2 物理层技术标准,8.3 数据链路层技术标准,8.4 HART 命令简介,8.5 HART 应用,8.2 物理层技术标准,物理层规定：,信号的传输方式、信号电压、设备阻抗和传输介质等。通常以双绞线为传输介质。,HART,数据传输是,420mA,数据传输的扩展，它在低频的,420mA,电流上叠加了一高频电流，两种信号共享硬件，,但在频率上是分开的。,HART,协议硬件、数据链路层、物理层之间的关系,应用层,微处理器,链路层 协议,数据信息,错误控制,异步收发器（,UART,）,调制解调器（,MODEM,）物理层 信号电压,频率,电缆,传输介质,HART能识别三种不同的设备：,第一种是最根本的现场设备，包括从设备和成组模式设备；现场仪表,第二种设备是根本主设备，它是与现场设备进行通信的主要设备；,第三类设备是副主设备，它是链路的临时使用者。,物理层标准提供了建立和使用HART网络和设备的根本信息，这些信息用来：,(1)提供HART设备间的互操作性；,(2)在各种条件下提供可接受的通信；,(3)减小与420mA信号之间的窜扰。,信号发生单元：现场仪表、根本主设备、副主设备,非信号发生单元：模拟控制器、电缆、网络电源、本质平安隔离栅、接线盒、接线板、连接件、混合硬件通信器件,网络硬件,信号发生单元,根据,功率要求,及,设备是向网络提供还是从网络吸收一偏置电流或操作电流,，现场设备可分为四类：,A,、,B,、,C,、,D,类型,描述,A,B,C,D,从网络吸收直流，并从网络吸收操作功率,从网络吸收直流，但不从网络吸收操作功率,向网络提供直流，不从网络吸收操作功率,不提供直流，也不吸收直流和操作功率,现场设备的分类,参数,点对点网络,多点网络,基本主设备数目,0,或,1,1,副主设备数目,0,或,1,0,或,1,现场仪表数目,（可能受到可能功率、单元电容或网络特性阻抗的限制）,1,115,单元极性,有极性或无极性,有极性或无极性,（可混合用）,现场仪表类型,ABC,或,D,A,，,B,和,D,可混用,C,和,D,可混用,允许现场仪表信号类型,数字型或,数字,+,模拟型,只有数字型,信号发生单位的组合,网络拓扑结构,要求：,1、信号发生单元可接在网络的任何位置。,2、现场仪表和副主设备均为并联。,3、每个信号发生单元只能有一条途径与其他单元相连(网络中不能有环路,HART,拓朴结构,4、网络至少需要一个主设备或模拟控制器和一个现场仪表。,5、本质平安栅可被置于主设备或模拟控制器与网络之间，副主设备可在平安栅的任何一侧。,6、网络的一个或多个局部的组合可被组合在一个设备中。,7、连接点可放在网络的任何位置。连接点仅仅是一个电气连接，混合设备也可置于网络的任何位置。,8、在网络工作时，现场仪表可以被移走或更换，副主设备也可被连到网络上。,9、在网络工作时必须防止通信电缆间两根导线的短路。,10、不同的HART网络只能在其根本主设备或模拟控制器附近有一处公共连接。,11、在多点网络中，当主设备或模拟控制器与同一根电缆中的多对线相连时，主设备或模拟控制器通常需置于电缆的一端，主设备与多对电缆之间不能接入单对电缆。,12、别离的HART网络可共用同一多对电缆。,电缆特性与长度,电缆应单对屏蔽或多对一起屏蔽。,电缆导线的最小直径尺寸如下：,总长小于5000英尺：#24AWG芯线直径0.51mm),总长大于5000英尺(单对)：#24AWG(芯线直径0.81mm),采用单对电缆时，网络中电缆的最大长度L应小于10 000英尺(3000m)。,多对电缆的最大长度应限制5000英尺(1500m)以内。,假设多对电缆与单对电缆一起组网，那么网络中电缆的最大长度不超过5000英尺(1500m)。,电源馈送与隔离栅,现场仪表对电源的需求取决于现场仪表的类型。,需要从网络以外的地方获取能量的,B,，,C,，,D,型现场仪表，可以通过多对电缆中的另外某对电缆供电。,现场仪表类型,网络供电,A,从网络吸收直流，并从网络吸收操作功率,B,从网络吸收直流，但不从网络吸收操作功率,C,向网络提供直流，不从网络吸收操作功率,D,不提供直流，也不吸收直流和操作功率,需要,需要,不可用,不要求，但可用,现场仪表对电源需求,如网络需要供电，电源应接于根本主设备或模拟控制器处。,有供给和回流栅,只有供给栅,网络电源连接,屏蔽与接地,一点接地,开路状态,有隔离栅的屏蔽与接地,没有隔离栅的屏蔽与接地,数字信号要求,HART,信号由双绞线的两根导线之间的电压构成，它由主设备产生。,HART,数据帧以异步方式传送串行字节序列。,HART,数据采用二值相位连续式频移键控信号以每秒,1200,比特的速率传送。一个字节有,11,位。,HART,数字信号帧,主 要 内 容,8.1 HART 协议简介,8.2 物理层技术标准,8.3 数据链路层技术标准,8.4 HART 命令简介,8.5 HART 应用,8.3,数据链路层概述,协议可以对通信中因噪声引起的错误进行修正。,当不使用420mA信号时，一个通信链路可连接多达15个短地址从设备。,协议支持从设备在通信通道上进行周期性播送的成组模式通信。,协议可对根本主设备和副主设备对现场设备的访问进行仲裁。,链路上设备间的信息传输是通过一定的格式实现的。,通信协议能识别三种不同的设备类型。从设备、成组模式设备、主设备。,数据帧格式：主从设备之间的短型,帧类型编码,001成组模式帧,010 STX帧,110 ACK帧,其余均保存,数据帧格式：主从设备之间的长型,帧类型编码,001成组模式帧,010 STX帧,110 ACK帧,其余均保存,数据帧格式,成组设备至主设备的帧,注：成组模式设备,只产生长帧,响应码场的第一字节的第,7,位总是被清零，因为此模式没有报告通信错误的消息。第二个字节含有数据链路与设备状态。,帧类型编码,001成组模式帧,010 STX帧,110 ACK帧,其余均保存,主 要 内 容,8.1 HART 协议简介,8.2 物理层技术标准,8.3 数据链路层技术标准,8.4 HART 命令简介,8.5 HART 应用,8.4 HART,命令,HART协议的应用层为HART命令，HART设备通过这些命令区分对方信息的含义。,通用命令、普通应用命令、专用命令三种。,HART 协议的各种命令统一由HART 数据帧中的命令字节进行二进制编码，也就是说，HART协议最多可提供 256 种不同的命令。28 命令场的8位字节。,主机命令的一致性分类,命令分类及其描述：,类别 描述,1 用于获取根本变量的只读命令,1A 用于获取根本变量的量程百分比及电流的只读,命令,2 从所有设备中获取通用信息的只读命令,3 用于获取各个设备的专有信息的只读命令，可,访问设备中的所有信息,4 向每个设备发送一般操作所需信息的只写命令,5 向每个设备发送初始设置所需信息的只写命令,其他不属于以上类别的读写功能，这些命令将,不能被另一厂家的主机处理,编码和用途举例,一致性分类命令仅包括通用命令和普通应用命令。,类别 1 (通用命令,0 读设备识别码,1 读根本变量,类别 1A (通用命令,0 读识别码,1 读设备根本变量量程百分比及电流,类别 2 (通用命令),4 (100)2 保存位,11(1011)2 读与位号(Tag有关的标识符,12(1100)2 读与设备有关的信息,变送器命令分类,变送器命令有通用、普通应用、变送器专用三类,变送器命令分配如下：,命令编码 命令种类,0 通用命令,30 通用命令,31 保存,32 普通应用命令,127 保存,128 变送器专用命令,253 变送器专用命令,254 保存,255 保存,响应码信息,第一个字节,响应码的第一个字节的第7位如果置位，那么剩余的位包含了有关通信错误的信息；第一个字节的第7位如果复位，那么剩余的位用来表示命令响应信息。,1,0,2,3,4,5,6,7,1,0,2,3,4,5,6,7,byte1,byte2,响应码信息,第一个字节,Bit 7=1时，其余位表示接收时的错误信息：,Bit 6 垂直奇偶校验错误,Bit 5 覆盖错误,Bit 4 帧错误,Bit 3 纵向奇偶校验错误,Bit 2 保存，应清零。,Bit 1 缓冲区溢出,Bit 0 未定义：至今尚未定义,Bit 7=0时，那么该字节包含有关命令执行情况的