HART协议简介现场总线的发展与展望w现场总线产生的必然性n当前控制系统（如DCS）存在的问题l决策层只能在最高层，对于下层设备很少授权。在高层设备出故障时，下层设备只能维持现状。l下层设备间的信息交流困难n模拟仪表的缺点l一对一结构l可靠性差l操作员对仪表无法控制l互换性差现场总线的发展与展望n现场总线的优点l一对多结构l可靠性高l操作员对仪表状态可控l互换性好l具有互操作性l综合功能强，实现仪表多用l彻底的分散控制l统一组态，简单方便l开放式系统传统DCS控制层现代FCS控制层网桥控制器H2分散控制系统总线H2H1H1H1 H1 H1低速现场总线31.25kbps232个设备/段供电与通信本质安全能利用已有的420mA信号线w数字信号取代420mAw现场的管理与控制的统一w一些基本过程控制在现场完成w设备非控制信息增加现场总线的分散控制模块 a) 4 20mA传输标准控制室现场b) 现场总线现场总线与控制室仪表连线效率对比控制室仪表手持编程器双向数字传输安全栅调节器指示积算配 电安全栅4 20 mA配 电4 20 mA4 20 mAa) 420mA标准标准b) 现场总线标准现场总线标准仪表内部结构对比仪表内部结构对比人人机机接接口口控制室仪表控制室仪表变送器变送器数字双向传输数字双向传输微微处处理理器器通通讯讯接接口口通通讯讯接接口口微微处处理理器器A/D放放大大调调理理传传感感器器人人机机接接口口微微处处理理器器A/DD/AI/VV/I调节器调节器4 420mA20mA4 420mA20mA4 420mA20mA变送器变送器V/ID/A微微处处理理器器A/D放放大大调调理理传传感感器器现场总线的发展现况w2000年1月公布的国际标准 IEC61158囊括了以下八种总线：FF的H1、FF-HSE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldFIP、ControlNet、SwiftNet，形成多种总线共同竞争的局面。wHART技术作为一种从模拟信号到全数字信号过渡一种通讯协议，特别适合于目前企业的技术和设备的改造。未来的技术发展趋势是全数字化的通讯协议，但由于国际上各大集团对利益分割，无法形成一个统一的数字现场总线的标准。而HART协议作为目前控制行业事实上的工业标准，在近一段时间将会继续大量使用。w据HART基金会统计，2000年有75%的智能仪表仍采用HART协议。其估计HART技术在过程工业仍将继续广泛使用至少1520年。在国内模拟仪表仍大量被使用，HART产品还将具有相当长的生命周期，我们将面临一个巨大的市场。 什么是HART协议wHART协议（Highway Addressible Remote Transducer）：是Rosemount公司于1986年提出的一项标准。w实现420mA模拟信号与数字通讯兼容的标准，是现场总线的过渡性标准。wHART协议是一个开放性协议，已成为智能仪表事实上的工业标准：w1996年，HART协议产品产量为60万台，Fisher-Rosemount公司的25万台变送器中HART协议产品约占76%。n专家们预计，HART在国际上的使用寿命为1520年，在国内由于客观条件所限，这个时间会更长一些。wHART不是真正的现场总线，而是从模拟控制系统向现场总线过渡的一块踏脚石。HART协议简介nHART协议：Highway Addressable Remote Transducer（可寻址远程传感器数据公路），是由Rosemount公司提出的用于现场智能仪表和控制室设备间通讯的一个过渡性协议。nHART通讯协议参照“ISO/OSI”的模型标准，简化并引用其中的1，2，7三层制定而成，即：物理层物理层、数据链路层数据链路层和应用层应用层。HART协议HART协议层次HART协议物理层n采用了Bell202标准的FSK频移键控技术。n实现了420mA模拟信号与数字通信的兼容。n设备通信距离1500 m。HART数据链路层n通信方式l主从式通信w由主设备来控制数据帧的传送w最多允许15个从设备连接到一条多点通讯线上l突发模式w从设备定时重复发送数据帧l半双工通讯方式n寻址范围：0 15l当地址为0时，处于420mADC与数字通信兼容状态。l当地址为115时，则处于全数字通信状态。HART数据链路层n通讯帧格式 PREM BCNT DELM STATUS ADDR DATA CMD CHKwPREM: Preamble序文 BCNT: Bycount 字节数wDELM: Delimiter起始字符STATUS: 变送器通讯状态wADDR: Address地址（源地址和目的地址）wDATA: 通讯数据wCMD: Command 命令号CHK: Checksum 校验和 数据帧长度不固定，最长25个字节。HART协议应用层n通用命令(Universal Commend)： 对所有符合HART协议的现场设备都适用的命令。包括以下内容：w读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数；w读出传感器串联数目及其限制；w写入轮询地址；w 读出制造厂及产品型号；w读出主变量及单位；w读出电流的输出及百分比输出；w读写8个字符的标牌号，16个字符的描述内容以及日期等；HART协议应用层n普通应用命令(Common-Practice Command)： 适用于大部分符合HART协议的产品，但不同公司的HART产品可能会有少量区别，如写主变量单位，微调DA的零点和增益等。主要包括：w写入阻尼时间常数；w写入变送器量程；w标定（设置零点和量程）；w微调主变量零点；w微调DAC的零点和增益；w完成自检及主机复位；HART协议应用层n特殊命令(Transmitter-Specific Command)： 仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微调传感头校正等。主要命令包括：w读出或写入开方小流量截断值；w启动、停止或清除累积器；w选择主变量（质量流量或密度）；w读出或写入组态信息资料；w微调传感器的标定；设备描述语言（DDL）nDDL（Device Description Language)是使符合HART协议的设备真正做到完全兼容的重要保证。n它包括现场设备的DDL描述描述和主设备的DDL解释器解释器两部分。l任何实现了DDL解释功能的主设备就可和任何已经提供了DDL描述的现场设备通讯。l新的现场设备可以无需顾及不同的主设备而独立发布。l新的主设备只要在其上开发好DDL解释器就可发行。基于HART协议的圆卡硬件设计420mA LOOP RTNHARTMODEM电电源源模模块块AD421AD7715CPUGND参考电压源参考电压源传传感感器器模模块块VCCVCCZEROSPAN参考电压源参考电压源EEPROMAIN+AIN-智能变送模块智能变送模块VCCA1A2GND基于HART协议系列变送器的硬件设计wHARTHART通讯模块的电路通讯模块的电路设计设计nFSK频移键控信号nBell202 MODEMn带通滤波器n输出波形整形电路基于HART协议系列变送器的硬件设计w低功耗技术低功耗技术nHART数字通讯的要求n智能变送模块的功耗1.5mAl低功耗芯片：A/D、D/A、EEPROM和MODEM总的工作电流限制在1.0mAl高效、低功耗的CPUl低频下间断性工作n传感器模块的功耗基于HART协议系列变送器的硬件设计w抗干扰技术n电磁滤波nWDTn电源监控n软件自诊断基于HART协议系列变送器的硬件设计w本质安全技术n减少储能元件n双重冗余齐纳管n符合本质安全iaCT16标准基于HART协议系列变送器的软件设计w软件模块划分nAD采样控制模块nAD-DA转换模块nHART链路层模块nHART命令层模块n键处理模块wAD-DA转换模块n查询后台AD定时采样n信号数字调理l粗大滤波l多点平均l温度补偿l线性补偿基于HART协议系列变送器的软件设计基于HART协议系列变送器的软件设计n标准转换算法l一阶滤波l量程转换lDA输出值转换、限幅lDA输出值微调lDA输出wHART命令层的实现n读出制造厂、产品型号、产品序列号；读出主变量及单位；读出电流的输出及百分比输出；读出或写入8个字符的仪表位号，16个字符的仪表描述以及日期；读出或写入32个字符仪表信息；读出和写入变送器的量程、单位以及阻尼时间；读出或写入写入轮询地址；读出和写入变送类型（开方/线性）；n标定（设置零点和量程）；完成自检；完成主设备复位；微调主变量零点；微调DAC的零点和增益；n线性标定；温度标定；读出或写入开方小信号切除值；启动、停止或清除累积器；选择主变量（质量流量或密度）；读出或写入组态信息资料；微调传感器的标定；基于HART协议系列变送器的软件设计基于HART协议的压力差压变送器的设计w工作原理n差动电容式敏感元件将差压信号转换成相应的电压n传感器耗电0.8mA基于HART协议的压力差压变送器的设计w传感器部分低功耗设计n模拟仪表12V供电，4mAn智能仪表5V供电，0.8mAn低功耗的运算放大器n温度补偿电路基于HART协议的压力差压变送器的设计w非线性补偿n压力变送器传感器有很大的非线性n传感器特性曲线相似，一致性较好，可以通过数学模型的方式进行补偿； n按照国外同类产品的要求，必须通过0%、60%、100%、-60%、-100%五点进行非线性补偿基于HART协议的压力差压变送器的设计n特征曲线的获取l测试20个传感器，获得一批实验数据；l对上述20组数据，分别求各组的最佳一致逼近多项式：y(x)=a3x3+a2x2+a1x+a0式中：y为实际压力，x为传感器输出l在上述20组多项式中，找出变化范围最小的一个系数，然后给定该系数；试验中a3的变化范围：-0.0373145，-0.0239532，取平均数基于HART协议的压力差压变送器的设计w由特征化给出三个点（量程的0%，60%和100%），即（x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，根据这三个点决定的近似最佳一致逼近算式，计算误差(-1) (i-1)R=y(xi)yi，(i=1,2,3) ：w在|R|取最小值时得出a0,a1,a2值；n试验得出 |R|=0.0001基于HART协议的压力差压变送器的设计w由以上方程组可知，给定a3和R后便可求得a0,a1,a2。w近似的最佳一致逼近算法的特点l数学模型简单l精度较高，可以达到万分之二l运算速度快基于HART协议的压力差压变送器的设计w数字滤波n4个数据的滑动平均滤波法l当量程比小于4：1时，滑动平均滤波程序l当量程比大于4：1时，将4个数据的和直接参与运算，相当于把采样值和量程扩大4倍，增加了量程转换的最后结果的有效位数，从而提高了量程转换的精度。l提高了量程转换的精度，跳码幅度减少了一半以上基于HART协议的压力差压变送器的设计w特殊命令的实现n特征化命令n变送器类型和测量范围的选择l0-1.49KPa、7.46 KPa、37.29 KPa、186.45 KPa、689.5 KPa、2.068 MPa、6.895 MPa、20.68 MPa、41.37 MPa基于HART协议的压力差压变送器的设计w性能n基本误差0.1%n写保护n零点迁移l最大负迁移：工作量程的1100%l最大正迁移：工作量程的1000%基于HART协议的压力差压变送器的设计w应用n完全与国外产品兼容n实现高低报警电流选择n与模拟仪表相比使用更方便、性能更佳l不必使用电位器进行零位、满量程的设置l基本误差达到0.1级l可远程进行维护和调校基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计w工作原理n液位的变化使部分浸沉在液体中的浮筒所受浮力产生相应的变化n浮力的变化经过杠杆放大后由应变电桥转变为毫伏信号n电压信号由AD7715采样基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计w传感器n应变电阻的灵敏度：1.5mV/V与供电电压成正比n采用应变电阻组成的电桥l放大了传感器信号l实现了一定的非线性补偿l实现了一定的温度漂移补偿l传感器经软件补偿后非线性度达0.05%基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计w低电压和大负载电阻设计n最低工作电压9Vn在24V供电时，可以驱动750的负载电阻输出20mA基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计w低电压和大负载电阻设计n分层供电n减小上层电压n采用3V的ADn采用低起始电压的恒流源n降低应变电桥的耗电基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计w低电压和大负载电阻设计n解决了由于减低了应变电桥的供电电流，带来的输出差动电压信号减小引起的精度损耗l将AD7715的输入信号放大倍数设置为128倍l采用数字滤波技术l对一组八个采样数据去掉最大值和最小值再进行数字平均，处理后数字跳码率减少了一半以上基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计w本质安全技术n针对分层方案的本质安全技术n双重冗余齐纳管保护l对T1的发射极和T2的栅极与COMlLOOP（-）与COMl上层与3Vl下层与COM基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计w与模拟的浮筒液位变送器比较基于HART协议的应变式浮筒液位变送器的设计w与模拟的浮筒液位变送器比较基于HART协议的温度变送器的设计w工作原理n热电偶n热电阻CC4052 智能智能 变送变送 模块模块恒流源1I0O02I0O01I1O12I1O1I2O22I2O21O/I2O/IABA1A2AIN+AIN-LOOPRTN420mAGND导线导线导线导线导线导线GND1I3O32I3O3基于HART协议的温度变送器的设计w数据压缩技术n分段最佳一致逼近K型热电偶在-40290范围内，可用下式表示T=0.1076+25.3239V-0.5089V2+0.0914V3-0.0059V4+0.0001V5最大误差为：0.11w特殊命令的实现n任意选择变送器类型l万能输入w热电阻wPt100wCu50l热电偶wS、B、T、K、E、Jn选择冷端补偿基于HART协议的温度变送器的设计基于HART协议的温度变送器的设计-温度变送器和其它温度变送器比较温度变送器和其它温度变送器比较