基于HART協(xié)議的智能透明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

        工控機(jī)、PC機(jī)目前無直接接入總線的接口，本串行口智能適配器是面向工業(yè)過程控制行業(yè)，工作在應(yīng)用層，應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)RS-232與符合HART協(xié)議總線接口有關(guān)設(shè)備間全透明數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換的設(shè)備，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、精確度高、抗干擾能力強(qiáng)、低工耗特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)用戶自編程序的自動(dòng)控制功能。

        HART協(xié)議適配器要完成的工作是把傳送過來的HART信號(hào)通過適配器直接轉(zhuǎn)換為串口信號(hào)輸出。適配器的轉(zhuǎn)換是基于Bell202國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，完全適用于標(biāo)準(zhǔn)HART協(xié)議傳輸，采用全透明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而不改變?nèi)魏螖?shù)據(jù)量，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性。

        機(jī)殼采用工程塑料，重量輕，結(jié)構(gòu)合理、DIN裝卸或面板安裝，適應(yīng)在各種惡劣工業(yè)環(huán)境下工作。

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        HART協(xié)議適配器的連接非常簡(jiǎn)單，只需連接好HART儀表、串口、電源就可以了。

        以下分別介紹有關(guān)適配器外部接口及有關(guān)的連接方法。

        LED指示燈包括POWER、TXD、RXD。通過這些指示燈可以監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)適配器的工作狀態(tài)。

①POWER指示燈：外接電源（見第⑤項(xiàng)）后，紅色指示燈常亮，如果不亮，檢查電源。
②RXD指示燈：通過串口接收數(shù)據(jù)時(shí)，該指示燈閃爍。
③RS-232：HART協(xié)議適配器串口采用標(biāo)準(zhǔn)串口通訊協(xié)議(三線制DB9插頭的2、3、5)，適配器可以通過它直接與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、全透明通訊。
④TXD指示燈：通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該指示燈閃爍。
⑤對(duì)于二線制、工作電源DC+24V儀表，與儀表、電源的連接，端子如上圖所示四根線，適配器外加DC+24V工作電源，此時(shí)儀表不得再加工作電源；若儀表本身已接有工作電源，此時(shí)HART轉(zhuǎn)RS-232轉(zhuǎn)換器+24V接線端子懸空，不接任何電源，但GND接線端子需要與所連接的HART現(xiàn)場(chǎng)儀表的GND共線連接，從端子上看，此時(shí)接線有三根線。

        基于HART適配器網(wǎng)絡(luò)介紹

        適配器與HART儀表之間的連接均為串行聯(lián)接，每個(gè)HART儀表只能有一條途徑與適配器相連（網(wǎng)絡(luò)中不能有環(huán)路）。

        HART儀表可以放在網(wǎng)絡(luò)中的任何位置，在網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，HART儀表可以移走或更換，在連接或者斷開時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)通訊的短暫中斷。在網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)必須避免通訊電纜間的兩根導(dǎo)線的短路。

        分離的HART網(wǎng)絡(luò)可以共用多對(duì)電纜，如果多對(duì)電纜中有一對(duì)用作HART網(wǎng)絡(luò)，那么電纜中的其它對(duì)電纜線必須處于下列狀態(tài)：

1.未用
2.用作其他的HART網(wǎng)絡(luò)
3.用作4~20mA的電流環(huán)，且電流的變化要遵守等效的HART儀表的限制

        網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆娎|長(zhǎng)度要求

        采用單對(duì)屏蔽雙絞線電纜傳輸介質(zhì)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的電纜長(zhǎng)度最大不要超過3000m。

        采用多臺(tái)設(shè)備互連時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中屏蔽雙絞線電纜長(zhǎng)度最大不要超過1500m。

        HART協(xié)議簡(jiǎn)介

        HART協(xié)議最初是由美國(guó)Rosemount公司開發(fā)，已應(yīng)用了多年。HART協(xié)議使用FSK技術(shù)，在4~20mA信號(hào)過程量上疊加一個(gè)頻率信號(hào)，成功地把模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)雙向同時(shí)通訊，而不互相干擾。HART協(xié)議參照了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的開放性互連模型，使用OSI標(biāo)準(zhǔn)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。這里只作簡(jiǎn)單的介紹，協(xié)議的具體內(nèi)容請(qǐng)參閱相關(guān)的資料。

        物理層

        物理層規(guī)定了信號(hào)的傳輸方法、傳輸介質(zhì)。采用Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)，在低頻的4～20mA模擬信號(hào)上疊 加一個(gè)頻率數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通信。數(shù)字信號(hào)的幅度為±0 . 5 m A ，數(shù)據(jù)傳輸率為1200bps，1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”。

        數(shù)據(jù)鏈路層

        HART基于主/從協(xié)議原理，這意味著只有在主站呼叫時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備才傳送信息。在一個(gè)HART網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)主站(主和副)可以與一個(gè)從設(shè)備通訊。副主站，如手持終端

        數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定HART協(xié)議幀的格式，可尋址范圍0～15，“0”時(shí)，處于4～20mA及數(shù)字信號(hào)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，現(xiàn)場(chǎng)儀表與兩個(gè)數(shù)字通信主設(shè)備（也稱作通信設(shè)備或主設(shè)備）之間采用特定的串行通信，主設(shè)備包括PC機(jī)或控制室系統(tǒng)和手持通信器。單站操作中，主變量（過程變量）可以以模擬形式輸出，也可以以數(shù)字通信方式讀出，以數(shù)字方式讀出時(shí)，輪詢地址始終為0。也就是說，單站模式時(shí)數(shù)字信號(hào)和4～20mA模擬信號(hào)同時(shí)有效。

        “1～15”處于全數(shù)字通信狀態(tài)，工作在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式，通信模式有“問答”式、“突發(fā)”式。按問答方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為2～3次／s，按突發(fā)方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為3～4次／s。在本質(zhì)安全要求下，只使用一個(gè)電源，至多能連接15臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可有256個(gè)變量，每個(gè)信息最大可包含4個(gè)變量。這就是所謂的多點(diǎn)（多站）操作模式。這種工作方式尤其適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，如管道系統(tǒng)和油罐儲(chǔ)存場(chǎng)地。

        采用多點(diǎn)模式，4～20mA的模擬輸出信號(hào)不再有效（輸出設(shè)在4mA使功耗最小，主要是為變送器供電，各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)裝置并聯(lián)連接 ），系統(tǒng)以數(shù)字通信方式依次讀取一對(duì)傳輸線上的多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表的測(cè)量值（或其它數(shù)據(jù)）。如果以這種方式構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以顯著地降低現(xiàn)場(chǎng)布線的費(fèi)用和減少主設(shè)備輸入接口電路，這對(duì)于控制系統(tǒng)有重要價(jià)值。

        HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息，采用自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求發(fā)送機(jī)制，消除由于線路噪聲或其他干擾引起的數(shù)據(jù)誤碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無差錯(cuò)傳送。

        能利用總線供電，可滿足本質(zhì)安全防爆要求。

        應(yīng)用層

        應(yīng)用層規(guī)定了HART命令，命令分為三類：通用命令、普通應(yīng)用命令、專用命令。

        通用命令：對(duì)于所有遵從HART協(xié)議的智能設(shè)備，無論哪個(gè)公司、哪類產(chǎn)品都適用。例如：讀取制造廠及產(chǎn)品型號(hào)、過程變量及單位、電流百分比的輸出等。

        普通應(yīng)用命令：對(duì)大多數(shù)HART協(xié)議的智能設(shè)備都適用，但不要求一樣，是有關(guān)基本常用的操作。例如：寫時(shí)間常數(shù)、標(biāo)定、寫過程變量單位等。

        專用命令：針對(duì)每一種具體的HART協(xié)議的智能設(shè)備的特殊性而設(shè)立的，所以，它不要求統(tǒng)一。

        具體的命令請(qǐng)參閱相關(guān)的技術(shù)資料。

串口調(diào)試程序的設(shè)置

按以上步驟

步驟如下：

選擇“串口調(diào)試助手V2.2.exe”雙擊進(jìn)入串口調(diào)試：（或其它串口調(diào)試工具）

①在波特率欄中選擇1200bps
②在校驗(yàn)位選擇奇校驗(yàn)
③選擇十六進(jìn)制顯示
④選擇十六進(jìn)制發(fā)送
⑤在發(fā)送欄中輸入要發(fā)送的命令
⑥點(diǎn)擊手動(dòng)發(fā)送或自動(dòng)發(fā)送，便會(huì)在接收欄中顯示返回?cái)?shù)據(jù)
適配器檢測(cè)完畢后便可以直接接入現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)使用。

進(jìn)入串口調(diào)試軟件界面，表示串口測(cè)試程序安裝成功

        檢測(cè)HART協(xié)議適配器

        首先確定硬件連接正確無誤。硬件連接包括：適配器到PC機(jī)、適配器到HART儀表、接好電源（根據(jù)儀表有無外接工作電源做出選擇），使其進(jìn)入工作狀態(tài)（POWER指示燈長(zhǎng)亮）。
然后在PC機(jī)上運(yùn)行串口調(diào)試程序。

        如果在接收欄中顯示了返回

        HART協(xié)議適配器的應(yīng)用

        請(qǐng)將檢測(cè)好的HART協(xié)議適配器按照說明連接好，并確定適配器處于工作狀態(tài)。按照說明啟動(dòng)串口調(diào)試程序或者由上位機(jī)發(fā)送相關(guān)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，客戶端可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得到有用的數(shù)值。

        啟動(dòng)串口調(diào)試程序或者由上位機(jī)發(fā)送相關(guān)的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，客戶端可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得到有用的數(shù)值。

        將計(jì)算所得的數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)，客戶可以根據(jù)自己的需要來處理這些數(shù)據(jù)。也可以根據(jù)自己的需要來提取有用的數(shù)據(jù)量，具體的讀取命令，請(qǐng)參閱相關(guān)的技術(shù)書籍或向HART儀表廠商和經(jīng)銷商獲取儀表專用協(xié)議。

        操作系統(tǒng)及上位機(jī)組態(tài)軟件只要支持RS-232便可以輕松實(shí)現(xiàn)與HART儀表的通訊。

        此HART協(xié)議適配器的轉(zhuǎn)換是全透明的，它只處理HART信號(hào)與串口信號(hào)的互相轉(zhuǎn)換問題，工作在應(yīng)用層,只針對(duì)符合HART協(xié)議的產(chǎn)品，與具體的供貨商無關(guān)，讀取命令和數(shù)據(jù)也沒有任何關(guān)系及影響。

        以上同時(shí)作為HART轉(zhuǎn)RS-485智能適配器或USB的介紹說明