СТА 3/2010

98 СТА 3/2010 www.cta.ru В ЗАПИСНУЮ КНИЖК У ИНЖЕ Н Е РА нал подаётся на фильтр нижних частот (ФНЧ) с частотой сре за 10 Гц и на фильтр верхних частот (ФВЧ) с частотой среза 400...800 Гц. На выходе фильтров выделяются цифровой сиг нал D ( t ) 2 и аналоговый A ( t ) 2 . При использовании фильтров второго порядка погрешность, вносимая цифровым сигналом в аналоговый, составляет всего 0,01% от 20 мА. Как и в обычной токовой петле, источник тока в HART устройстве может иметь внешний или встроенный источник питания. В частном случае HART протокол может использовать только цифровой сигнал без аналогового или только аналого вый сигнал 4...20 мА без цифрового. В случае когда ведомым устройством является не датчик, а исполнительное устройство (например, электромагнитный клапан), аналоговый сигнал в форме тока должен передавать ся от ведущего устройства к ведомому, и источник тока дол жен находиться в ведущем устройстве (ситуация, обратная показанной на рис. 2). Поскольку HART устройства содер жат микроконтроллер иМОП ключи, необходимое для этого переконфигурирование передатчика и приёмника выполня ется путём подачи соответствующей команды. HART устройства всегда содержат микроконтроллер (рис. 3) с UART (универсальный асинхронный приёмопередатчик) и ППЗУ (перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство). Цифровой сигнал, сформированный микрокон троллером, преобразуется в приёмопередатчике UART в неп рерывную последовательность битов, состоящую из двоич ных слов длиной 11 бит каждое (рис. 4 а ). Каждое слово начи нается со стартового бита (логический ноль), за которым сле дует байт передаваемых данных, затем бит паритета и стопо вый бит. Сформированная таким образом последователь ность нулей и единиц передаётся в модем, выполняющий частотную манипуляцию (ЧМ). Полученный частотно мани пулированный сигнал передаётся в интерфейсный блок для формирования напряжения, подаваемого в линию связи (на помним, что от контроллера к датчику передаётся сигнал в форме напряжения, а обратно – в форме тока). На стороне датчика сигнал принимается из линии интер фейсным блоком, преобразуется ЧМ модемом в последова тельность битов, из которой микроконтроллер выделяет байты данных и биты паритета. Микроконтроллер проверяет соот ветствие бита паритета переданному байту для каждого пере данного слова, пока не обнаружит признак конца сообщения. Получив команду, микроконтроллер приступает к её выпол нению. Если пришла команда запроса измеренных данных, микроконтроллер датчика принимает через АЦП сигнал дат чика, преобразует его в аналоговую форму с помощью ЦАП, суммирует со служебной информацией на выходе ЧМ модема и передаёт в линию связи в форме тока 4...20 мА (рис. 3). Сеть на основе HART протокола Описанный обмен информацией между двумя устройства ми (типа «точка–точка») является наиболее типичным при менениемHART протокола. ОднакоHART устройства могут быть объединены в сеть. Для этого используют только цифро вую часть HART протокола, без аналоговой, а информация передаётся в форме тока, что позволяет соединять HART устройства параллельно. Максимальное количество уст ройств в сети может составлять 15, если не использовать HART повторители (ретрансляторы, репитеры). HART сеть может иметь произвольную топологию, поскольку при малых скоростях передачи (1200 бит/с) эффектов, характерных для длинных линий, не возникает. Этим же объясняются крайне низкие требования к полосе пропускания кабеля (2,5 кГц по уровню –3 дБ). Такой полосе соответствует постоянная вре мени линии передачи 65 мкс, то есть при сопротивлении линии 250 Ом её ёмкость может достигать 0,26 мкФ, что соот ветствует длине кабеля около 2...3 км (табл. 2). В сети могут быть два ведущих устройства, одним из кото рых является контроллер, вторым – ручной коммуникатор, используемый для считывания показаний и установки пара метров HART устройств. Коммуникатор может быть под ключён в любом месте сети, но обычно доступными являют ся только клеммы датчиков или коммутационные клеммы в монтажном шкафу. Сеть допускает «горячую» замену или добавление новых устройств (то есть без отключения питания). В случае сбоя, например при случайном коротком замыкании, сеть повто ряет невыполненные операции обмена. ВHART сети только один узел может посылать сигнал, в это время остальные «слушают» линию. Инициирует процедуру обмена ведущее устройство (контроллер или ручной коммуни катор). Ведомые получают команду и посылают ответ на неё. Каждое ведомое устройство имеет персональный сетевой ад рес, который включается в сообщение ведущего устройства. Адрес имеет длину 4 бита (короткий адрес) или 38 бит (длин ный адрес). Имеется также второй способ адресации – с по мощью тегов (идентификаторов, назначаемых пользователем). Каждая команда или ответ на неё называются сообщением и имеют длину от 10...12 байт до 20...30 байт. Сообщение начи нается с преамбулы и заканчивается контрольной суммой (рис. 4 б ). Элементы сообщения (слова) перечислены в табл. 3. КОЛИЧЕСТВО УСТРОЙСТВ В СЕТИ ДЛИНА КАБЕЛЯ ПРИ ПОГОННОЙ ЁМКОСТИ 65 пФ/м 95 пФ/м 160 пФ/м 225 пФ/м 1 2800 м 2000 м 1300 м 1000 м 5 2500 м 1800 м 1150 м 900 м 10 2100 м 1600 м 1000 м 750 м 15 1800 м 1400 м 900 м 700 м Ведущий (контроллер) Ведомый (датчик) ФНЧ ФВЧ A ( t ) 2 4...20 мА D ( t ) 2 C вч R н D ( t ) 1 A ( t ) 2 D ( t ) 2 D ( t ) 1 E ~ I ~ I = + – Рис. 2. Принцип работы HART%протокола на физическом уровне Рис. 3. Прохождение аналоговых и цифровых сигналов через устройства с HART%протоколом Интерфейс Ведущий (контроллер) Ведомый (датчик) Линия связи (витая пара) Микро! контроллер ППЗУ UART Микро! контроллер Датчик ППЗУ UART ЧМ! модем АЦП ЧМ! модем АЦП АЦП Интерфейс Таблица 2 Зависимость длины кабеля от погонной ёмкости © СТА-ПРЕСС