HART通信

HART通信（精选6篇）

HART通信 篇1

0 引言

HART(Highway Addressable Remote Transducer可寻址远程传感器高速通道)协议是兼容现行4mA-20mA模拟系统的开放的通信协议，已在很多智能仪表中得到应用。市面上各种HART调制解调器层出不穷，芯片AD5700是ADI公司为实现HART协议而推出的低功耗HART调制解调器，与目前常用的HT2012、A5191HRT、DS8500芯片相比，具有集成度高，外围所需器件更少、功耗更低的特点。文中介绍的HART协议通信接口基于AD5700而设计，是在研究智能涡轮流量变送器的过程中而研制的，采用的是二线制传输方式，既能传输模拟信号和数字信号，又能给变送器供电，节省电缆实现智能化。

1 通信接口硬件设计

HART协议物理层使用FSK(频移键控)调制技术，在4mA-20mA模拟信号上叠加一个幅度为0.5mA均值为0的频率信号，以1200Hz和2200Hz交流信号分别各自代替数字信号的“0”和“1”，使得模拟通信和数字通信同时进行而互不干扰。HART通信接口的硬件设计实质就是HART协议物理层的实现。硬件总体框图如图1所示，主要由CPU、环路供电数模转换器AD5421、HART调制解调器AD5700三部分组成。

AD5421是高性能的16位环路供电型4mA-20mA数模转换器(DAC)，兼容标准HART FSK协议通信电路。内置一路稳压输出，用于为自身及其他器件供电，提供1.8V至12V的调节输出电压;还内置1.22V和2.5V基准电压源，因而不需要分立稳压器和基准电压源。本设计中，AD5421有两个功能，一方面将数字信号转换为4mA-20mA电流输出，另一方面通过软件控制输出+3.3V电压，为系统提供电源，无需额外供电设备，实现变送器的二线制传输。

AD5700采用的是相位连续的FSK半双工工作方式，数据传输率为1.2Mbps。其内部集成了符合Bell202标准的调制器、解调器、接收带通滤波器、精密载波检测、信号生成等电路，所需外部元件极少，最大电源功耗仅为115μA。AD5700一方面通过UART接口与CPU进行串行通信，一方面将输入的数字信号调制成频率分别为1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号，波形整形后经AD5421叠加在4mA-20mA电流环路上输出，或将环路信号进行带通滤波放大后提取出FSK信号并解调为数字信号传送给CPU，从而实现HART通信。

由于本设计采用的是二线制传输，电源线和信号线共用，变送器耗电电流加上0.5mA的HART正弦调制波信号电流不得超过4mA，所以全部硬件电路功耗必须在3.5mA以下才能保证正常工作，因此低功耗的设计非常重要。

CPU的选择方面，选用ADI公司专为要求低功耗工作的电池供电应用而推出的超低功耗精密模拟微控制器ADu CM361。工作电压为1.8V～3.6V，最低耗电电流4μA。内部集成了8通道24位ADC、可编程增益仪表放大器、精密带隙基准电压源、可编程电流源、灵活的多路复用器以及其它许多特性，省去了传统单片机系统外围信号放大、AD转换等常用电路，提高了系统集成度降低了功耗。ADuCM361内核为32位低功耗ARM Cortex-M3处理器。内部集成128k字节非易失性flash/EE存储器、8k字节SRAM，以及一个支持有线(2xSPI、UART、)通信外设的11通道DMA控制器。HART变送器所有数字功能均由该处理器提供，灵活的时钟源可使器件的功耗达到最低，5种低功耗工作模式可以通过程序控制任意配置，并且一个中断事件可将系统从各种工作模式中迅速唤醒。

由ADuCM361、AD5421和AD5700构成的HART物理层具体电路图如图2所示。AD5700与ADuCM361的UART通用串行接口信号包括来自UART的HART调制输入TXD、HART解调输出RXD、请求发送和载波检测CD;Loop+、Loop-分别接4mA-20mA电流环的正负;HART输出引脚HART＿OUT通过容性分压器0.068μF/0.22μF调整至所需幅度，并耦合至AD5421的CIN引脚，然后与DAC输出，一同驱动和调制输出电流;被耦合到LOOP+端的HART信号通过一个简单的有源RC滤波器输入到AD5700的ADC＿IP引脚;DVDD为AD5421对外部提供的3.3V供电电压;AD5700通过一个RC滤波器(470Ω/1μF)供电，防止AD5700的电流噪声与4mA-20mA环路输出进行耦合;HART调制解调器的时钟由与XTAL1和XTAL2引脚直接相连的3.6864MHz外部晶振产生。

2 HART协议通信软件设计

HART通信接口的软件设计包括AD5421的控制程序和HART协议通信程序。AD5421的控制程序主要是对环路电流4mA-20mA输出的控制和系统供电电压+3.3V输出的控制，较为简单。HART协议通信程序即为HART协议数据链路层和应用层的软件实现。HART协议通信遵从主从方式半双工通信，变送器作为从设备，除了处于突发模式外，只有在接收到主设备(上位机或手操器)发来的命令后才会作出应答。为了能及时接收到主设备发送的命令而又不影响主程序的正常运行，HART协议通信程序主要由串口接收发送中断实现。变送器在上电或看门狗复位后，首先主程序对HART协议通信部分进行初始化配置，包括设定ADuCM361内部UART模块工作方式、串行通信波特率、数据帧格式、清通信缓冲区、中断等，之后将其设置为等待状态，等待状态下，一旦上位机有命令发来，AD5700的载波检测口CD变为高电平，触发中断，启动接收并关闭载波检测中断，程序进入接收部分。命令帧数据接收完毕，经ADuCM361做出相应处理后，把要发回的应答帧内容放入通信缓冲区中，触发中断，进入发送程序，发回应答帧，由此完成一次命令的交换，然后再次进入等待状态，等待下一条主机命令。

HART协议通信接口通过图3所示的中断调用子程序的方法，完成现场仪表和主机之间的通信，可以使主机完成对现场仪表的工作参数设置、测量结果读取、仪表状态检测等工作。

3 应用效果

图4所示为HART变送器连线图，采样电阻RL(取值300Ω)串接于4mA-20mA回路中，将电流信号和HART信号转换为电压信号，通过RS232HART转换器与上位机通信。上位机软件采用第三方HART通信软件，测试结果表明可进行点对点HART通信，并能实现所支持的各条HART命令，在4mA-20mA HART总线上再接入一块第三方的HART涡轮流量计，也能正确进行多点HART通信，完全达到了HART协议技术要求。

4 结束语

由AD5700和AD5421构建的HART通信接口具有通用性，完全符合HART协议，软硬件稍加更改即可用于其他压力、温度、流量等变送器，可移植性强，可靠性高。由于HART通信协议特有的优势，已成为智能控制领域中应用最广泛的现场通信协议，在今后很长一段时期内，HART协议产品在国内具有十分辽阔的市场。

参考文献

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HART通信 篇2

1 HART协议概述

HART既可传输模拟信号, 也可传输现场总线的数字信号, 从而实现与控制中心的信息交互。根据ISO的OSI参考模型, HART协议分为物理层、数据链路层和应用层。物理层涉及信号的传输方式和传输介质, 它是在4~20m A模拟信号上叠加正弦调制信号以实现数字通信, 规定数字信号“1”调制成频率为1 200Hz的信号, “0”调制成频率为2 200Hz的信号, 数字信号幅值为0.5m A, 平均值为0。数据链路层规定了通信数据结构和通信模式, 数据传输速率为1 200bit/s;11位数据格式包含一个起始位、8个数据位、一个校验位和一个停止位;字节奇校验。应用层则对各种命令代码作统一规范, 有通用命令、普通应用命令和设备专用命令3类。通用命令是所有HART现场设备都必须响应的命令;普通应用命令只被设备部分应用;设备专用命令是生产厂商根据需要制定的命令。

2 HART通信接口硬件设计与分析

2.1 定位器工作原理

基于HART通信协议的智能阀门定位器结构框图如图1所示。其中, 超低功耗电源电路用于将4~20m A电流信号转换成电压信号, 为HART通信接口电路、微处理器MCU单元和其他电路功能模块提供稳定的工作电压;智能阀门定位器作为通信的从机使用;HART通信接口是MCU控制单元与主机之间的桥梁;隔离电路可以提高系统可靠性[1,3]。

从图1可以看出, 基于HART通信协议的智能阀门定位器为二线制设计, 与主机的连接只有两条线, 4~20m A电流信号既是给定的阀门位置目标控制信号, 也是整个定位器硬件电路正常工作的电源。按照线性稳压电路输出的稳定电压为6.6V进行估算, 定位器从控制信号摄取的最小功率是26.4m W (6.6V×4m A) , 最大功率是132.0m W (6.6V×20m A) 。因此, 低功耗设计是定位器正常工作的首要因素, 要求各电路功能模块工作于超低功耗模式。

2.2 HART通信接口电路

HART通信接口电路主要由接收滤波与调制解调电路、隔离电路、发送驱动电路及微处理器接口等组成 (图2) [2,4,5]。通信接口电路所有有源部件均采用超低功耗芯片。调制解调电路的核心是一个HART Modem, 国产型号SD2015, 典型电流值在工作电压为3.3V时只有90μA, 其内部集成符合Bell202标准的调制器/解调器等相关电路, 简化了接口电路设计, 使系统更加可靠。图2中U5和R25组成精密稳压电路, 为SD2015和HART通信隔离电路提供直流偏置电压, 实现单电源供电电路对交流信号的处理。

从图2可以看出, 调制解调电路与HART数据传输线使用不同的地线 (负端) 。不同的地电势会产生共模干扰, 轻则会造成HART通信中断及4~20m A信号误差等故障, 重则会使设备端口器件损坏。只有采用有效的电气隔离方法才能解决上述问题, 笔者采用音频隔离变压器T1与隔直电容C13、C15实现HART主电路与4~20m A信号线的隔离。

调制解调电路芯片载波信号输出功率一般都比较小, 为此笔者特别增加了由运放U201构成的载波发送驱动电路, 较好地实现了通信网络低阻抗情况下的可靠通信。同时, HART通信是一种半双工通信模式, 必须配置发送/接收转换电路, 笔者采用场效应管Q2作为电子开关并配合SD2015的方法设计发送/接收转换电路。

调制解调电路与微处理器MCU的接口有5个I/O线。MCU通过串联通信端口TXD、RXD和SD2015的ITXD、ORXD进行数据通信。INRTS线控制发送/接收转换, 且低电平发送, 高电平接收。OCD线是外部载波信号检测输出线, MCU可以判断HART总线是否繁忙。XTAL是芯片SD2015工作时钟输入线, 需要460.8k Hz时钟源。由于460.8k Hz晶振在市场上不容易购买到, 因此笔者通过微控制器的PWM模块工作于CTC模式经软件编程分频实现, 具有很好的灵活性, 降低了生产成本。

3 软件设计与分析

HART通信协议是一种半双工通信模式, 由主控设备 (上位机) 发送通信请求, 智能阀门定位器作为从机响应。通信程序主要完成数据链路层和应用层规定的任务, 其中, 数据链路层的实现是HART通信软件设计的关键。

3.1 数据链路层协议规范

数据链路层规定了通信数据结构和通信模式。从软件设计的角度来看, 需要特别注意HART的通信帧格式 (表1、2) [5,6]。

其中, 前导符是5~20个FF十六进制字节, 这是为了使数据接收端在硬件电路上产生CD载波检测信号, 以实现数据通信的同步。定界符代表数据的传输方向, 同时指定了数据帧的帧类型 (长、短帧结构) , 主机到从机的短结构值为02, 长结构值为82;从机到主机的短结构值为06, 长结构值为86。地址字节的短结构占一个字节, 字节0~4位的表示值是0~15的从机地址;长结构占5个字节, 首字节的6位表示从机的生产厂商的代码, 第2个字节表示从机设备型号代码, 后3~5个字节表示从机的设备序列号, 构成唯一标志码。命令号也称为功能码, 用于指明一个数据帧的具体实现功能。数据长度指实际数据的数量 (如是从机, 则包含响应码) 。响应码用于报告通信中的错误、接收命令的状态和从机的操作状态。数据字节用于设置或读取指定从机的参数数据 (通信的最终结果) 。校验字节是从定界符到数据的所有字节的“异或”值, 用于检验通信数据帧的错误。

3.2 协议链路层的程序实现

依据HART协议的通信格式可以计算出传送一个字符的时间大约在9ms。如果采用延时等待连续发送方式, 一帧长数据就可能要消耗0.5~1.0s的CPU时间, 控制的实时性无法保证, 因此HART协议链路层程序设计的关键是每一个字节数据的收发都必须采用中断方式实现, 中断程序流程如图3所示。在接收中断程序中, 定位器对上位机数据帧进行识别和判断, 其判断依据是接收到的前导符0x FF个数和字符间隔是否超时。发送中断程序则是将已传入发送缓存的数据逐个发送。接收数据帧的解析和发送数据帧的打包在主程序中都可实现。

4 结束语

HART通信技术已成为工业控制领域中应用最广泛的现场通信协议之一, 在仪表领域有着广阔的应用空间。笔者开发的基于HART通信协议的智能阀门定位器具有良好的系统性能, 经过批量测试, 该智能阀门定位器即使在恶劣的环境下运行依然稳定、可靠。实践证明, 基于HART通信协议的智能阀门定位器的通信接口设计具有结构简单及易于实现等优点, 对相关产品的研制有重要的指导意义。

参考文献

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[5]李春丽, 李巍.基于HART协议的智能仪表通信电路设计[J].单片机与嵌入式系统应用, 2013, 13 (5) :24~26.

HART通信 篇3

当前,国内针对路面车辆信息采集的主要方法是通过埋入道路的感应线圈检测器,但往往道路施工频繁,导致线圈完好度较低、维护费用高,且感应线圈安装极易破坏路面,所以线圈检测器使用功效并不高[1]。本文采用磁阻传感器与无线HART技术设计了一种新型的无线车辆检测器,具有安装简易、占用空间小和不易损坏等特点[2]。如今无线HART技术已较为成熟,广泛应用于工业监测、控制等领域[3]。与传统控制系统相比,无线HART技术提供了一种高性价比的替代通信方式[4],将传统控制系统中高成本的测量通过无线技术来实现并融入监控系统中[5]。本设计采用无线HART收发模块,具有实时性与抗干扰能力强以及低功耗的特点,提高了检测效率,降低了道路维护成本[6]。

1 无线HART简介

无线HART是一种Mesh网络拓扑,其每个节点既是终端也是路由,支持调频,分时通讯可靠性高。无线HART可以让用户在保持现有设备、工具和系统一致性的基础上,为HART协议增加无线功能[7]。不但为过程应用提供了一种可靠的专用无线协议,而且为用户提供了一种行业认可的标准,使其在进行无线应用决策时具有选择依据[8]。

2 检测器硬件设计

2.1 工作原理

地球是一个巨大的磁场,当车辆经过某一路段时,会导致地磁场产生微弱变化,通过采集地磁场变化数据并进行分析,根据变化持续的时间即可得出车辆在经过该路段时的速度以及在某一时间段内的车流信息[9]。

车辆检测器安装好后,加入到无线HART网络,将每个传感器作为一个HART节点,其获得车辆信息后,由MCU进行数据处理,在显示屏上同步显示车速,并通过XDM2510H传输至控制中心/网关。车辆检测器系统如图1所示。

基于无线HART的车辆检测器采用树形网络拓扑结构,检测节点可实现地磁信号的采集、放大、滤波以及与上位节点的通信等功能。

2.2 硬件电路设计

磁阻感应器采集的信号是一个差分输出的毫伏级信号,需要对其进行差分放大,以产生更好的放大效果[11]。滤波放大后,用AD转换器将模拟信号转换成数字信号,并采用MCU进行处理,通过显示屏显示,然后将处理后的数据通过无线HART模块发送至网关。系统框架如图2所示。

2.2.1 无线HART模块

系统的无线HART收发模块采用RFM公司的XDM2510H模块,电路如图3所示。工作原理如下:1发送一个时间戳数据包,通过单片机向/TIME管脚发送一个低电平进行触发;2模块投递数据包时,通过/MT_RTS管脚给单片机一个置低信号;3模块向单片机发送数据包完成的标志是/MT_CTS管脚置低;4通过单片机向/RE-SET IN管脚发送低电平实现模块复位。

单片机通信接口通过串口与模块的UART_TX和UART_RX管脚相连,单片机向/SP_CTS管脚发送低电平时,表示单片机准备好接收一个数据包。LED灯信号行为对应的XDM2510H状态如表1所示。

2.2.2 感应器模块

传感器工作电路如图4所示,感应器选取霍尼韦尔公司的HMC1022,其输出一个毫伏级的差分模拟电压信号,需要通过差分放大器进行放大;差分放大器选用AD620,其具有体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广的优点;置位复位电路用于在突发情况下保护传感器核心电路;采用的芯片为IRF7105,它可以产生一个以20ms为周期的方波,作为磁阻感应器的复位输入信号。同时把12V电源通过一个1 000Ω的电阻连接到IRF7105的4管脚,将第5管脚和第8管脚短接,分别与HMC1002的第8管脚和第14管脚相连,即可完成对传感器的保护。

3 系统软件设计

3.1 整体设计

为了使软件容易扩展和维护,本设计采用模块化架构,每个功能都包含在相应的模块中。系统需要调用该模块时,只需include相应的头文件即能直接使用,从而使程序结构清晰、易于移植。

系统模块分为两层:驱动层与设备层。驱动层实现MCU内部的功能驱动和调用,设备层实现外部设备的驱动和调用。有些设备需要利用驱动层模块才能实现调用,如图5所示。软件程序流程为:1主函数调用各个子函数初始化的内部驱动,定时器设为1分钟,串口、I2C与显示屏初始化,开启全局中断;2调用无线HART模块的初始化函数,检查其返回值是否成功,若失败,则显示失败信息,并再次初始化,直到初始化成功;3显示屏显示成功信息,进入循环。循环中仅有一条指令,即睡眠;4睡眠状态的单片机在定时器中断触发时被唤醒,唤醒后通过传感器获取信息,显示测得的数据。与无线HART模块同步时钟,再通过无线HART模块将数据发送至网络;5最后将定时器复位,退出中断。退出后程序又进入循环,即再次进入睡眠状态,等待下次被唤醒。唤醒机制如图6所示。

3.2 车辆分类识别原理

3.2.1 K近邻算法简介

K近邻算法最初由Cover和Hart于1968年提出,其基本思想是以全部训练样本作为代表点,计算测试样本与代表点的距离,即所有样本的距离,并以最近邻者的类别作为决策。目前K近邻法理论比较成熟,适用于样本容量比较大的类域的自动分类[10]。

K近邻算法的主要思路是:在测试样本x的k个近邻中,将出现最多的样本类别作为x的类别,然后对x类别进行判别,即在N个训练样本中,找出x的k个近邻。

3.2.2 车辆分类

通过观测大量车辆,本文将各类车型产生的波形大致分为5类,对应的车型分别为:小车、面包车、中型货车、公共汽车、大型载重卡车。图7为各类车辆的代表性信号波形。

3.2.3 基于K近邻算法的车辆分类识别

设x(i)为待检测车辆的特征向量,aj(i)为测试的样本车辆的特征向量,A是所有测试的样本空间,aj(i)∈A,N为测试样本车辆数量,k为近邻的个数,k<N。算法采用欧式距离函数作为判别函数,如式(1)所示:

基于K近邻车辆分类识别算法为:1取a1(i),a2(i),…,ak(i)为x(i)的k个近邻,计算dj[x(i),aj(i)],j=1,2,…,k;2计算3若dn<dm,则an(i)替换am(i);若n=N,转到第4步,否则令n=n+1,并转到第2步;4计算5种车辆类型中包含a1(i),a2(i),…,ak(i)的数量,包含最多的车辆类型即为待测车辆类型。

3.2.4 检测结果及分析

K近邻算法对车辆的分类结果如表2所示。

利用K近邻算法对81辆车进行了分类,其中平均成功率为90.25%,表明利用此方法进行车辆的分类识别是可行的。

3.3 车速检测

3.3.1 车速检测算法

利用双传感器进行车速检测,基本公式为:车速=距离/时间。其中,双传感器间距为S,车辆长度WEI L,单个传感器检测直径为2r,时间为车辆到达第一个节点时刻和离开节点的时间差。采用双磁阻感应器测算速度如公式(2)所示,原理如图8所示。

式(2)中,L为车辆长度,r为检测区域半径,Δt为车辆经过需要的时间。

3.3.2 实际车速验证

实际车速测量如表3所示,其中:1小车保持50km/h行驶,5次测速分别为:50.4km/h、52.3km/h、48.7km/h、49.5km/h、54.6km/h,平均速度为51.10km/h;2面包车保持45km/h行驶,5次测速分别为:45.7km/h、44.6km/h、43.8km/h、39.7km/h、40.1km/h,平均速度为42.78km/h;3中型货车保持35km/h行驶,5次测速分别为:33.5km/h、34.6km/h、37.3km/h、36.1km/h、35.7km/h,平均速度为35.44km/h;4公共汽车保持40km/h行驶,5次测速分别为:38.5km/h、39.6km/h、42.3km/h、39.1km/h、41.7km/h,平均速度为40.42km/h;5大型载重货车保持25km/h行驶,5次测速分别为:23.4km/h、27.5km/h、22.6km/h、23.9km/h、26.7km/h,平均速度为24.82km/h。

可以看出,利用双传感器进行测速,得到的速度精确值较高,误差率最大的为面包车,其余4种车辆的误差率都不超过2.2%。所以,此套系统可以实现对车辆速度的实时检测。

4 结语

通过磁阻传感器检测,可为智能交通系统提供决策依据。系统感应器设置方便,可满足不断变化的数据采集要求,并且不破坏路面。本文为无线HART开发提供了一个典型的实现方案,基于此方案可以更深入地开展无线HART协议技术研究。

参考文献

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HART通信 篇4

无线HART是第一个开放式的工业无线通信标准,用于满足过程工业应用中可靠、稳定和安全的无线通信的关键需求。 无线HART是一个集中管理的MESH网络,它建立在IEEE 802.15.4 物理层标准上,附加了自有的数据链路层、网络层和应用层协议,在MAC层采用带有跳频的TDMA调度方法,保证系统的可靠性[1]。

无线HART网络在数据链路层采用TDMA机制, 无线HART网络中的通信资源调度成为影响网络通信性能的重要因素。

1 无线HART资源调度策略研究现状

无线HART成为工业标准后, 一些学者提出了一些基于无线HART网络的调度方法。 SAIFULLAH A提出的实时调度算法支持实时反馈闭环控制,但是只完成了仿真工作,并没有实际的应用报告[2];FANG M等提出了一种基于分层思想的调度算法,但时隙的分配中没有考虑节点的数据更新速率[3];ZHANG H等提出了基于时隙数和信道数最优的资源调度算法,但该算法仅仅是针对于线性网络和树状网络[4,5]; 董利达等提出了基于双树结构资源调度策略, 给出了资源添加和删除算法, 但该算法只适合双树结构和层数固定的网络拓扑[6]; 张盛等提出了无线HART网络中的高可靠资源分配策略, 基于资源分配的次序, 降低传输延时, 但该算法没有考虑节点数据传输速率的多变性以及资源类型的差异[7]。 上述算法都没有考虑节点更新速率的不同,同时在时隙的选择中, 采用连续顺序选择的方法( 即第一条路径选择时隙1, 第2 条路径选择时隙2), 通信易受突发干扰的影响。 本文依据现有的研究状况,针对无线HART超帧资源的不同类型和节点数据传输速率不同,提出资源分配算法。 对无线HART网络中同一节点的下一跳路径( 无线HART图路由要求每一个节点都至少有两条下一跳路径) 在超帧中均匀分配时隙, 增强对干扰信号的抗干扰能力。

2 无线HART通信资源和超帧

无线HART网络的通信资源包括以下几种类型: 加入(JOIN)、 广告(ADVERTISE)、 发现(DISCOVERY)、 广播( BROADCAST ) 和通用( NORMAL ) 。 加入和广告包用于节点加入; 发现型资源用于搜索新邻居和保持与时间源设备之间的联系; 广播资源用于广播信息; 通用型资源则用于一般的数据传递。

在无线HART网络中, 通信资源的调度是以超帧为单位, 超帧是一个由若干时隙组成的循环周期。 无线HART规范支持多信道调度即支持16 个信道, 大大提高了通信带宽的利用率。

无线HART的超帧可分为管理超帧和数据超帧, 管理超帧主要负责加入、 广告、 发现和广播类型资源及通用类型中的下行资源,数据超帧负责上行资源。 数据超帧长度由节点通信速率决定, 支持更新速率为2ns,其中n为正整数或负整数, 文中支持的最快更新数率为4 s , 最慢更新数率为16 s ( 慢于16 s按照16 s更新) 。 论文使用一个数据超帧(长度为1 600 个时隙) 和两个管理超帧,一个长度为200 个时隙(加入和广告类型资源),另一个为400 个时隙(广播和下行的通用类型资源)。

3 调度算法及实现

3 . 1 资源调度算法中的冲突

无线HART网络中对时隙和信道的分配存在着两种类型的冲突:显式冲突和隐式冲突。 若一个节点同时存在一个发送链接和一个接收链接, 则属于显式冲突,可以给两种链接分配不同的时隙;而相邻链接之间的干扰属于隐式冲突, 分配同一个时隙不同信道, 如图1 中节点2→1 和9→6 所示, 如果2 和9 同时发送数据,2和6 互为邻居,则2 会对6 造成干扰。 在实际的资源调度算法中, 根据不同的资源类型, 对冲突的解决作了不同的定义。 若通用资源和广播类型资源的起点和终点都不同,则使用同一个时隙不同信道,否则分配不同时隙。若加入资源接收地址不同, 广告类型资源发送地址不同,则使用同一个时隙不同信道,否则分配不同时隙。

3 . 2 资源调度算法软件实现

无线HART的管理超帧( 两种) 和数据超帧的长度不同, 无线HART的资源在这三种超帧上分配, 但是这三种超帧都是在同一时间上运行,因此在资源分配时还要考虑以下两个问题:(1) 在同一个时隙上, 每种超帧既不能与同超帧类型资源冲突, 也不能与其他超帧冲突;( 2 ) 由于三种超帧的更新时间不同, 更新速率快的超帧在处理与更新速率慢的超帧的冲突时,不仅考虑相同时隙的冲突, 还要考虑相应倍数时隙的资源冲突, 如加入资源超帧长度为200 个, 在相对时隙数为10 的位置处考虑与数据超帧的冲突时, 既要考虑时隙数为10 处的资源,还要考虑相对时隙数为210、410、610 等处是否有资源冲突(数据超帧)。 为解决以上问题,文中对于通信资源分配,统一在最长的超帧(数据超帧)上对各种类型的资源分配,之后再分配到对应的超帧中。 下面详述资源调度算法的实现过程。

无线HART资源调度算法的软件实现主要由超帧初始化、节点信息获取、路由算法实现、管理超帧资源调度算法实现和数据超帧资源调度算法实现等部分组成,下面对各部分作详细说明。

( 1 ) 超帧初始化

实现对管理超帧和数据超帧的数据结构初始化, 数据超帧的长度为1 600,管理超帧1 长度为200 个( 加入和广告类型),管理超帧2 长度为400 个(广播和下行数据类型), 在初始化中, 还分配了网络接入点的加入、 广告、发现和广播类型资源。

( 2 ) 节点信息获取

获取节点信息和邻居信息。

(3)路由算法实现

根据节点信息,实现整个网络的图路由和源路由算法,本文采用了文献[8]的算法。

( 4 ) 管理超帧资源调度算法实现

管理超帧资源分配算法过程如下:

①输入资源类型和超帧长度length, 加入和广告类型length=200 ,广播和下行数据类型length=400;

② 下行数据类型资源, 根据源路由得到相应的路径, 对每条路径调用资源搜索子算法, 其他类型资源直接调用资源搜索子算法。

③调用资源分配子算法,设i=1,no=0,△=1。

资源搜索子算法实现步骤如下:

步骤a: 对需要分配资源的节点, 在数据超帧的第i个时隙的16 个信道做资源冲突检测(各类资源冲突检测规则详见3.1 节),如果有冲突,转到步骤d,否则执行步骤b;

步骤b:j=i+length×k(k=1~(1 600/length-1)) , 分别对应不同的j值,在数据超帧的第j个时隙的16 个信道做资源冲突检测,如果有冲突,转到步骤d,否则执行步骤c;

步骤c:在数据超帧的第i个时隙, 检测是否有空闲信道, 有则该节点在i时隙空闲信道分配相应类型资源,在数据超帧第i和j个时隙和相应管理超理超帧(如果是管理超帧分配)第i个时隙中记录发送地址,接收地址和资源类型,退出,资源分配成功,否则转到步骤d;

步骤d:no=no+1;i=i+△,如果no≥length,资源分配失败,退出,否则转到步骤a。

( 5 ) 数据超帧资源调度算法实现

数据超帧分配上行图路由数据, 对于图路由, 源节点及每个中间节点都有两条到下一跳节点的路径,为了增强系统的抗干扰性,文中对于一个节点的两条上行路径,其资源分配的时隙间隔尽量大。 数据超帧资源调度算法实现过程如下:

①根据图路由,计算从源节点到目的节点的经过节点和路径(这部分算法不属于本文范围之内);

②对所有路径和节点分配资源;

③i=1,no=0,△=1,length=T×100(T为数据更新时间,单位s),调用资源搜索子算法,得到第一条路径资源;

④ i = ( L + length /2 ) % length ( L为第一条路径的时隙值),no=0,△=(-1)×no,调用调用资源搜索子算法, 得到第二条路径资源。

3 . 3 算法实例验证

选取图1 所示的无线HART网络, 节点1 为网络接入点,2~11 为现场设备, 数据更新速率为16 s, 应用资源调度算法, 得到整个网络资源分配表, 文中只选取了前20 个时隙的资源分配表, 见表1 和表2, 其中时隙0为全网发现时隙,d表示下行,u表示上行,a表示广告,j表示加入, b表示广播, * 表示多节点。

4 实验分析

4 . 1 建立实验环境

为验证资源调度算法, 搭建无线HART网络实验平台,包括网络管理器、接入点和现场设备。 网络管理者在计算机上Linux环境下完成,AP和现场设备使用飞思卡尔的MC13224 无线模块。

4 . 2 实验结果

( 1 ) 在无干扰情况下, 分别使用5 、 10 、 15 、 20 和25 个现场设备,使用4 s的更新速率和可变速率(从4 s~16 s),应用文中算法, 节点向网关传送数据, 实测端到端的单向数据传送成功率,端对端不设重传,结果如图2 所示,说明在变速率节点数据上传的情况下,算法保证了数据的稳定上传。

( 2 ) 在加干扰情况下, 分别使用5 、 10 、 15 、 20 和25 个现场设备,在时隙分配中一种选择同一节点的上行两条路径的时隙间隔尽量大( 方案1), 另一种顺序选择时隙( 方案2 ) , 数据更新速率都为固定的16 s , 从节点向网关传送数据, 加入干扰信号, 然后实测端到端的单向数据传送成功率, 端对端不设重传, 得到如图3 所示的结果。 从结果可以看出,方案1 的成功率要高于方案2,说明文中使用的算法提高了节点上传数据的抗扰性。

5 结论

目前无线HART网络的资源调度算法研究主要应用于节点更新速率固定的场合,本文提出了一种针对于节点变速率上传数据的资源分配算法,对无线HART网络中同一节点的下一跳路径在超帧中均匀分配时隙,增强对干扰信号的抗干扰能力。 实验结果表明,算法实现了无线HART网络变速率节点的资源分配,并提高了节点数据传输的抗扰性。

参考文献

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HART通信 篇5

1 HART协议与智能阀门定位器概述

1.1 HART协议

所谓的HART协议, 就是可寻址远程传感器高速通道开放通信协议, 该协议最早出现于美国, 用于控制室设备与现场智能仪表之间的通信协议。该协议中, HART装置具有合适的响应时间以及较低宽带, 经过数十年的发展, 发达国家的HART技术也已经十分成熟, 并广泛应用于工业生产中。

HART协议主要利用FSK频移键控信号, 该信号采用标准为Bell202, 也就是在4~20毫安的低频模拟信号之上, 叠加幅度为0.5毫安的音频信号, 实现双向的数字通信, 具有1.2Mbit/s数据的传输率。加上FSK平均信号值一般为0, 因此在信号传输过程中不会对系统模拟信号造成影响, 确保模拟信号与现实信号的兼容性。这种通信协议利用半双工通信方式, 在模拟信号上实现数字化通信, 同时采用统一的描述语言 (DDL) , 通过这种语言对设备的特性进行描述, 同时完成对描述语言的等级, 并将其编写成描述字典。但是HART技术采用混合模拟数字信号, 给通信芯片的开发增加了难度。HART才有的供电方式为总线供电, 基本上满足安全防爆需求。

1.2 智能阀门定位器

作为调节阀中关键的附件, 阀门定位器的性能直接影响调节阀整体的使用性能。通常来说, 阀门定位器运行原理主要是闭环控制, 即对调节信号的控制或者是对调节器进行直接调节, 同时将执行器反馈的信号与控制信号进行对比, 根据两种信号之间的差异性对相关动作进行调节, 保证阀门芯位置准确, 实现准确定位。智能阀门定位器的主要组成部分包括: (1) 信号调理。该部分主要负责信号的转换, 将阀门位置反馈的信号以及输入信号反馈成为处理器能够接收的信号, 该部分电路内容应该根据输入信号采用的通信协议不同进行合理选择。 (2) 阀门检测反馈装置。该部分主要是对阀杆位移进行检测, 同时将执行机构检测的信号进行反馈; (3) 微处理器。该部分将接受到的两个信号, 根据事先设置的流量特性, 然后将两个信号进行比对, 同时进行相应的信号转换, 对阀门开度进行检查, 保证其与设定值一致。最后以信号的形式将最终识别结果传输到智能电气装置中; (4) 电气转换控制装置。该部分就是将控制电信号进行转换, 转换成为气流开关信号, 并将其传输到气动执行机构, 从而为执行机构各项动作提供动力。

2 智能电气阀门定位器设计

2.1 智能电气阀门定位器硬件设计

在进行电气阀门定位器硬件设计方面, 具体包括以下几个方面的设计: (1) 为了确保阀门定位器定位的准确性, 一般利用角行程或直行程执行结构; (2) 为了保证智能电气阀门定位器实现双向通信问题, 主要利用HART协议以及上位监控计算机, 用户能够在控制室中实现对现场电气设备的监控, 进而对定位器工作方式、报警工作信息等全面了解。 (3) 定位器硬件设计过程中, 可以通过组态, 实现多种功能, 具体的功能包括流量特性设置、分程控制、行程范围设定等等。

2.2 智能电气阀门定位器软件设计

智能电气阀门定位器作为一种现场的数字组态设备, 能够实现对现场的调试, 这种类型的定位器运行模式包括组态、手动以及自动三种模式, 并且能够通过功能键实现三种运行方式之间的自由切换。

(1) 智能阀门定位器主要运行方式是自动模式, 主要是利用自动闭环控制功能, 对相关的控制算法进行调用, 给压电阀提供驱动力, 实现对阀门位置的跟踪控制, 这一控制过程发生在设定值与反馈至处理结束后。 (2) 组态参数整定如果采用传统的阀门定位器, 过程相对复杂, 需要经过多次反复调整。而如果利用智能电气阀门调节器进行组态参数整定, 通过微控制器以及微处理器就能够实现对绝大多数参数的识别与判定。同时, 对于智能电气阀门定位器安装以及调试方面, 不用过多的设定, 就能实现运行参数自动化整定。首先需要弄清执行机构作用方向;其次是需要将执行结构的行程、零点等进行确定;然后测试泄漏量;再次弄清定位增量的最小量;最后对相关相应动作实施优化。 (3) 在振动作用下, 定位器阀门不断的进行状态调整, 给调节阀门的寿命造成极大的影响, 这一问题可以通过死区设置进行解决。另外, 需要对电气阀门的禁闭功能进行智能化设置, 有效的消除阀门无法关闭的问题, 确保阀门气缸在阀门关闭口没有多余的压力。具体的算法步骤为, 首先通过当前误差值对PWM控制波形占空比进行计算, 得出结果后利用误差的正负, 对充放气状态进行辨别, 同时对相关功能函数进行调整, 实现对阀门充放气的直接控制。

3 总结

通过上述分析可知, 智能电气阀门性能更加优良, 其主要是基于HART数字化通信协议, 实现了阀门定位器的智能化、数字化, 同时提高了气动执行机构在定位过程中的高精度化。

摘要：本文首先对HART协议以及智能电气阀门定位器进行详细的介绍, 然后从硬件、软件两个方面分析基于HART协议进行智能阀门定位器研制分析, 事实也证明了这种定位器比传统的阀门定位器性能优良。

关键词：HART协议,智能电气阀门,定位器

参考文献

[1]张之亮, 鲜海波.基于HART协议的智能电气阀门定位器研制[J].电工电气, 2013, 35 (23) :124-125.

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[3]李倩茹, 赖庆峰, 王晓明, 郑毅.HART协议的智能阀门定位器的设计和实现[J].自动化技术, 2013, 38 (14) :147-148.

HART通信 篇6

关键词：AMS系统,HART仪表,网络配置,C/S模式组态

HART协议基于传统4~20m A模拟量传输的设计,具有稳定性好、双向通信等优势,被工业自动化领域广泛应用[1]。Emerson公司在智能设备管理领域的AMS系统软件紧密贴近HART技术的发展,有机地将它纳入产品的设计体系,为企业的仪表设备维护提供了有力工具[2,3]。AMS系统凭借先进的设计理念、简明的网络架构和强大的设备管理功能,依托与Delta V DCS的有机结合,可高效管理DCS通信卡件中的HART智能仪表等设备;同时,依托成熟的TCP/IP、485通信协议和光电转换模块,AMS系统有机地实现了对第三方系统中的智能设备的组态、校准、报警和报表管理,极大地提高了仪表工程师进行仪表维护与诊断的效率。

1 HART网络方案①

在AMS系统的工程实施前期,需要对工厂的仪表分布和网络架构进行全面分析,以便于具体方案的确定和软硬件的配置。按照HART仪表接入工厂信息网的硬件链路方式,可将AMS系统中涉及到的HART网络拓扑类型分为以下4类。

1.1 Delta V卡件

如图1中的虚线框1所示,AMS系统中的服务器与客户端是作为DCS中的节点而存在的,由于Delta V系统主副控制网络中各站与控制器中的数据通过OPC协议实现实时更新,而控制器及其总线底板下的各模块量卡件均支持HART协议,故可直接读取HART仪表,并分离出HART信号作为独立数据传送到AMS系统服务器中参与设备维护。因此,AMS系统服务器可依托于Delta V系统的工厂主副控制网直接读取DCS中的HART智能仪表,并提供给客户端相关服务功能参与维护。

1.2 多路转换器

如图1中的虚线框4所示,由于工艺要求现场存在多套生产装置,因而会有多套控制系统或安全系统并存的情况,而每套系统中均有大量HART仪表需要进行维护管理,非Delta V系统中的智能仪表由于无法直接连入Delta V控制网络进入AMS系统服务器,而需要借助独立的多路转换器对仪表设备中的HART信号与传统模拟量信号进行分离和采集,将模拟量信号接入原有控制系统,而将HART信号转为485双工信号后经485/Ethernet转换器并联入工厂信息网通过光电和电光转换实现远距离传输,最终通过TCP/IP协议接入AMS系统,工程师可以通过AMS系统将相应的维护与组态指令下传进入每个多路转换器寻址的相应HART设备,从而实现通过AMS系统服务器对第三方系统的智能设备进行维护和监控的目标。

1.3 HART Modem

如图1中的虚线框2所示,此情形可作为多路转换器的替代解决方案,即来自第三方系统中的HART智能仪表由于无法直接通过Delta V控制网络,而需要额外的HART分离与提取硬件并传输进入AMS系统服务器;但走的网络链路是截然不同,现场HART仪表首先接入HART Mod-em,而后转换为USB串口信号接入服务器的串口通信接口上,AMS系统服务器则通过配置相应的HART Modem网络参数读取仪表信息。

此类型方案的缺点之一是为了避免影响轮询时间而建议HART Modem所连接的仪表数目不宜超过16台;缺点之二则是由于直接利用了HART Modem输出的USB信号而影响了其实际工业应用的可行性。因此,这种类型的方案大多用于在现场进行仪表的通信调试和网络诊断阶段的工具。

1.4 无线网关

如图1中的虚线框3所示,工业现场增补或是非关键区域在施工阶段,考虑到工程成本造价和维护成本,会考虑选购无线HART仪表,它本身只是现场监测而非重要数据,但仪表的维护与监控数据对AMS系统同样重要,因此,需要借助合理分布的无线网关蜂窝网络获取到分散四处的智能仪表,然后借助TCP/IP协议进入工厂信息网络,通过这一拓扑结构来实现HART信号的提取与传输,从而实现通过AMS系统服务器对它们进行维护与监控的目的。

2 AMS系统方案实施

上述4种方案,以多路转换器为基础的AMS系统网络拓扑在实施过程中因其集成速度快、工程成本低及网络稳定性好等优点而在工业现场得到广泛认可和应用。某大型化工企业的常减压装置分为DCS系统和SIS系统,其中DCS系统采用Delta V集散控制系统,而SIS和ITCC则采用北京康吉森的Tricon安全系统,同时在原料罐区安装了大量先进的Rosemont无线智能仪表。AMS系统实施过程中也采用了基于多路转换器的方案。

2.1 网络配置

如图2所示,该常减压装置中来自SIS系统的HART智能仪表的4~20m A模拟量信号直接接入相应系统的模块量卡件,因此增加了相应的多路转换器来进行4~20m A模拟量信号与HART信号的分离,而分离出的HART则通过多路转换器输出485双工信号,而后经过485转Ethernet转换器连接至工厂信息网,中间经过光纤延长通信距离,连接至位于中央控制室的AMS系统服务器,通过服务器内配置的虚拟串口取得智能仪表的HART信号。

AMS系统获取多路转换器下的HART智能仪表信号的关键在于网络通信的硬件选型与设置。本装置中,多路转换器选用HIDMux2700,属于24V机柜轨道式安装;而485/Ethernet转换器选用NPort IA5150AI,同样属于24V机柜轨道式安装,且具有浪涌保护。

按图3中的参数表通过拨码开关对HID-Mux2700进行设置,通过MOXA的配置软件NPort Administrator按照图4中的参数对485转以太网转换器进行扫描和设置,首先通过扫描查到默认IP地址的485转以太网转换器,然后利用COM MAPPING选项来对NPort IA 5 1 5 0 AI的IP地址和串口通信参数进行修改,并同步将参数烧制到转换器物理固件中。在完成对转换器的设置后,表明从AMS系统服务器到多路转换器的物理层已连通。接下来可以通过服务器的设置,直接读到转换器下的智能仪表。

2.2 C/S配置

AMS系统采用客户端/服务器模式的工作机制,所安装AMS系统软件版本为V11.1.1c,对应的操作系统为Window Server 2008 SP2和Windows 7 SP1。对于AMS系统服务器的设置如图5所示,AMS系统客户端的设置如图6所示。为了保证工厂信息网各节点通信正常,设置AMS系统服务器与客户端的IP分别为172.24.64.222与172.24.16.21。需注意的是,首先要安装设置好服务器,并对服务器进行授权认证,之后在客户端侧必须保证它与服务器的网络Ping通后才可以加入AMS系统网络。如果作为Delta V的节点工作,还需要对AMS系统各节点进行下载,以同步网络信息。

如图7所示,需要在AMS系统服务器上对多路转换器进行再次设置,包括HART多路转换器的扫描地址范围等,以确保AMS系统中的网络参数与机柜内部多路转换器的硬件设置保持一致,从而使AMS系统服务器能够通过485寻址建立与多路转换器的通信。通过对多路转换器的485寻址范围进行设置,可确定从AMS系统读取到的仪表数量。在AMS系统过程中很重要的一个设置是关于多路转换器的主从模式,由于AMS系统通过多路转换器从第三方系统中将仪表的HART信号分离并传输,故应将原控制系统作为主系统,而将AMS系统作为从系统来处理。在以上配置与调试后,表明从现场仪表到服务器的整个物理网络已经满足软件调试的必要条件,接下来通过AMS系统软件进行组态与设置。

当完成图7所示的网络配置后,会在AMS系统中出现Multiplexer Network的网络节点,此时执行“Rebuild Hierarchy”时,AMS系统会按照图示参数进行HART网络拓扑结构的构建与轮询确认。图8所示为MOXA转换器下仅连接一块多路转换器时的网络结构,执行”Scan all devices”命令轮询包括HIDMux 2700和所有HART智能仪表的HART信息并同步到AMS系统中。由图8可以看到,此时可以对任一仪表设备进行监控、组态、诊断及仿真等。依次完成其他多路转换器下所有仪表的接线与扫描,即可将现场所有HART智能仪表收入AMS系统,建立相应AMS系统数据库并进行优化整理,建立起相应的报警机制,即可实时进行仪表设备的监控和维护。

3 结束语

相对于传统手操器设置和其他3种AMS系统网络实施方案,基于多路转换器的网络结构可灵活地将任一支持HART协议的设备接入AMS系统,极大地提高了工厂信息化管理水平,将仪表工程师从繁琐的现场组态与调试工作中解放出来。AMS系统的实施因为借助工厂信息网而使得规模不受限制,可在项目任何阶段进行而不影响正常生产。

参考文献

[1]刘龙龙.HART多路复用器研究及其硬件系统设计[D].上海:华东理工大学,2014.

[2]谢碧蓉,向贤兵,高倩霞,等.AMS系统智能设备管理系统的应用[J].重庆电力高等专科学校学报,2013,18(6):59~62.