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基于HART协议的智能透明数据转换器
源出处:郑州波特电子有限公司

概述
   工控机、PC机目前无直接接入总线的接口,本串行口智能适配器是面向工业过程控制行业,工作在应用层,应用于标准RS-232与符合HART协议总线接口有关设备间全透明数据传输转换的设备,具有实时数据转换、精确度高、抗干扰能力强、低工耗特点,能实现用户自编程序的自动控制功能。
   HART协议适配器要完成的工作是把传送过来的HART信号通过适配器直接转换为串口信号输出。适配器的转换是基于Bell202国际标准,完全适用于标准HART协议传输,采用全透明数据转换而不改变任何数据量,确保了数据的准确性、可靠性。机壳采用工程塑料,重量轻,结构合理、DIN装卸或面板安装,适应在各种恶劣工业环境下工作。

基于HART协议智能适配器使用介绍
  HART协议适配器的连接非常简单,只需连接好HART仪表、串口、电源就可以了。以下分别介绍有关适配器外部接口及有关的连接方法。LED指示灯包括POWER、TXD、RXD。通过这些指示灯可以监控和发现适配器的工作状态。
  ①POWER指示灯:外接电源(见第⑤项)后,红色指示灯常亮,如果不亮,检查电源。
  ②RXD指示灯:通过串口接收数据时,该指示灯闪烁。
  ③RS-232:HART协议适配器串口采用标准串口通讯协议(三线制DB9插头的2、3、5),适配器可以通过它直接与上位机连接,实现数据实时、全透明通讯。
  ④TXD指示灯:通过串口发送数据时,该指示灯闪烁。
  ⑤对于二线制、工作电源DC+24V仪表,与仪表、电源的连接,端子如上图所示四根线,适配器外加DC+24V工作电源,此时仪表不得再加工作电源;若仪表本身已接有工作电源,此时HART转RS-232转换器+24V接线端子悬空,不接任何电源,但GND接线端子需要与所连接的HART现场仪表的GND共线连接,从端子上看,此时接线有三根线。

  基于HART适配器网络介绍
  适配器与HART仪表之间的连接均为串行联接,每个HART仪表只能有一条途径与适配器相连(网络中不能有环路)。
  HART仪表可以放在网络中的任何位置,在网络工作时,HART仪表可以移走或更换,在连接或者断开时,可能会出现通讯的短暂中断。在网络工作时必须避免通讯电缆间的两根导线的短路。
   分离的HART网络可以共用多对电缆,如果多对电缆中有一对用作HART网络,那么电缆中的其它对电缆线必须处于下列状态:
 1.未用
 2.用作其他的HART网络
 3.用作4~20mA的电流环,且电流的变化要遵守等效的HART仪表的限制

 网络拓扑电缆长度要求
 采用单对屏蔽双绞线电缆传输介质时,网络中的电缆长度最大不要超过3000m。
 采用多台设备互连时,网络中屏蔽双绞线电缆长度最大不要超过1500m。

  HART协议简介
  HART协议最初是由美国Rosemount公司开发,已应用了多年。HART协议使用FSK技术,在4~20mA信号过程量上叠加一个频率信号,成功地把模拟信号和数字信号双向同时通讯,而不互相干扰。HART协议参照了国际标准化组织的开放性互连模型,使用OSI标准的物理层、数据链路层、应用层。这里只作简单的介绍,协议的具体内容请参阅相关的资料。
 
物理层
  物理层规定了信号的传输方法、传输介质。采用Bell202标准的FSK频移键控信号,在低频的4~20mA模拟信号上叠 加一个频率数字信号进行双向数字通信。数字信号的幅度为±0 . 5 m A ,数据传输率为1200bps,1200Hz代表逻辑“1”,2200Hz代表逻辑“0”。

数据链路层
  HART基于主/从协议原理,这意味着只有在主站呼叫时,现场设备才传送信息。在一个HART网络中,两个主站(主和副)可以与一个从设备通讯。副主站,如手持终端,几乎可以连接在网络任何地方,不影响主站通讯的情况下与任何一个现场设备通讯。典型的主站可以是DCS、PLC和基于计算机的控制或监测系统。
  数据链路层规定HART协议帧的格式,可寻址范围0~15,“0”时,处于4~20mA及数字信号点对点模式,现场仪表与两个数字通信主设备(也称作通信设备或主设备)之间采用特定的串行通信,主设备包括PC机或控制室系统和手持通信器。单站操作中,主变量(过程变量)可以以模拟形式输出,也可以以数字通信方式读出,以数字方式读出时,轮询地址始终为0。也就是说,单站模式时数字信号和4~20mA模拟信号同时有效。
  “1~15”处于全数字通信状态,工作在点对多点模式,通信模式有“问答”式、“突发”式。按问答方式工作时的数据更新速率为2~3次/s,按突发方式工作时的数据更新速率为3~4次/s。在本质安全要求下,只使用一个电源,至多能连接15台现场仪表,每个现场设备可有256个变量,每个信息最大可包含4个变量。这就是所谓的多点(多站)操作模式。这种工作方式尤其适用于远程监控,如管道系统和油罐储存场地。
   采用多点模式,4~20mA的模拟输出信号不再有效(输出设在4mA使功耗最小,主要是为变送器供电,各个现场装置并联连接 ),系统以数字通信方式依次读取一对传输线上的多台现场仪表的测量值(或其它数据)。如果以这种方式构成控制系统,可以显著地降低现场布线的费用和减少主设备输入接口电路,这对于控制系统有重要价值。 HART协议根据冗余检错码信息,采用自动重复请求发送机制,消除由于线路噪声或其他干扰引起的数据误码,实现数据无差错传送。能利用总线供电,可满足本质安全防爆要求。

应用层
 应用层规定了HART命令,命令分为三类:通用命令、普通应用命令、专用命令。通用命令:对于所有遵从HART协议的智能设备,无论哪个公司、哪类产品都适用。例如:读取制造厂及产品型号、过程变量及单位、电流百分比的输出等。 普通应用命令:对大多数HART协议的智能设备都适用,但不要求一样,是有关基本常用的操作。例如:写时间常数、标定、写过程变量单位等。专用命令:针对每一种具体的HART协议的智能设备的特殊性而设立的,所以,它不要求统一。

具体的命令请参阅相关的技术资料。
串口调试程序的设置按以上步骤连接好后,用一般的串口调试软件即可进行对适配器及仪器仪表的有关测试工作。
步骤如下:
选择“串口调试助手V2.2.exe”双击进入串口调试:(或其它串口调试工具)
  ①在波特率栏中选择1200bps
  ②在校验位选择奇校验
  ③选择十六进制显示
  ④选择十六进制发送
  ⑤在发送栏中输入要发送的命令
  ⑥点击手动发送或自动发送,便会在接收栏中显示返回数据
适配器检测完毕后便可以直接接入现场网络使用。 进入串口调试软件界面,表示串口测试程序安装成功

检测HART协议适配器
   首先确定硬件连接正确无误。硬件连接包括:适配器到PC机、适配器到HART仪表、接好电源(根据仪表有无外接工作电源做出选择),使其进入工作状态(POWER指示灯长亮)。然后在PC机上运行串口调试程序。如果在接收栏中显示了返回的数据表示适配器运行正常。

HART协议适配器的应用
   请将检测好的HART协议适配器按照说明连接好,并确定适配器处于工作状态。按照说明启动串口调试程序或者由上位机发送相关的命令进行数据的转换,客户端可以将采集的数据进行分析,计算得到有用的数值。
   启动串口调试程序或者由上位机发送相关的命令进行数据转换,客户端可以将采集的数据进行分析,计算得到有用的数值。 将计算所得的数据送到相应的存储区,客户可以根据自己的需要来处理这些数据。也可以根据自己的需要来提取有用的数据量,具体的读取命令,请参阅相关的技术书籍或向HART仪表厂商和经销商获取仪表专用协议。操作系统及上位机组态软件只要支持RS-232便可以轻松实现与HART仪表的通讯。
  此HART协议适配器的转换是全透明的,它只处理HART信号与串口信号的互相转换问题,工作在应用层,只针对符合HART协议的产品,与具体的供货商无关,读取命令和数据也没有任何关系及影响。以上同时作为HART转RS-485智能适配器或USB的介绍说明。
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