Komunikační protokol HART umožňuje dálkově řídit a monitorovat senzory a zařízení přenášející hodnotu měřené veličiny prostřednictvím analogové proudové smyčky 4-20mA. Digitální komunikace probíhá po stejných vodičích, po kterých zároveň probíhá přenos analogového signálu, tedy bez nutnosti přestavby již zabudované kabeláže. Následující článek blíže popisuje protokol HART komunikace a možnost jeho hardwarové implementace.
HART ( Highway Addressable Remote Transducer ) protokol resp. sběrnice byla původně vyvinuta firmou Rosemount. Později pak byla publikována jako otevřený standard. Je určena pro inteligentní senzory s výstupem pro analogovou proudovou smyčku 4-20mA. Úkolem tohoto komunikačního protokolu je umožnit dálkové nastavení a čtení parametrů senzoru jako jsou kalibrace senzoru, nastavení právě vhodného měřícího rozsahu, získání dat o typu a parametrech daného senzoru atd. Výčet vlastností a parametrů senzoru, které lze pomocí HART protokolu číst a měnit, se liší podle "inteligence" daného senzoru.
Proto se příkazová sada standardu HART se dělí na 3 skupiny:- Universální příkazy - jsou implementovány ve všech zařízeních podporující standard HART a umožňují vzájemnou komunikaci mezi různými zařízeními různých výrobců. Obsahují: přenos dat o výrobci a typu zařízení, měřené veličině a jejích jednotkách, osmiznakový popis
- Obecné příkazy - nejsou již implementovány ve všech zařízeních HART a obsahují možnost: změnu rozsahů vysílače, nastavení nul, testování.
- Specifické příkazy - speciální příkazy, které jsou odlišné mezi různými zařízeními. Například obsahují: započetí a ukončení měření, volbu primární proměnné, ladění parametrů
Fyzická vrstva protokolu
Přenos digitálních dat probíhá zároveň s normálním analogovým výstup pomocí superpozice střídavého harmonického signálu o frekvenci 1200Hz (log. 1) nebo 2200 (log. 0), tedy podle standardu Bell 202 Frequency Shift Keying (FSK) (příklad je na následujícím obrázku). Střední hodnota komunikačních signálů je tedy nulová, takže neovlivňuje stejnosměrnou hodnotu proudu ve smyčce. Využívá se zde vlastnosti, že změna proudu analogové proudové smyčky probíhá tak pomalu, že lze tento proud proudové smyčky považovat v krátkém časovém úseku za stejnosměrný. Pro zpětné oddělení digitálního signálu od stejnosměrného ( pomalu se měnícího) v příjímači se využívá filtru s mezní frekvencí propustného pásma 10 Hz.
Příklad signálu dle standardu Bell 202 FSK (vpravo) a blokové schéma smart senzoru s HART (vlevo)
Linková vrstva protokolu
Protokol HART umožňuje komunikaci ve dvou režimech:
- dvojbodový režim - nastavená adresa senzoru je 0, funguje zároveň proudová smyčka a digitální komunikační signály.
- multi-drop režim - může být ke sběrnici připojeno více senzorů najednou. Pak všechny senzory nastaví proud 4mA a komunikují s řídícím PC jen digitálně podle přidělené adresy (1-15).
Vzájemná komunikace probíhá principem request/responce (žádost/odpověï). Existuje však i režim burst, kdy senzor neustále vysílá data dokud není přerušen řadičem sběrnice (master). HART umožňuje zapojení dvou masterů. Jeden může být řídící PC a druhý například ruční komunikátor pro údržbu.
Starší verze protokolu HART podporovala jen přidělení adres 1-15. Modernější verze protokolu HART pracuje tzv. dlouhou adresou, která je unikátní pro každý senzor. Skládá se z kódu výrobce, typu a sériového čísla. Tato adresa je předána masteru při příkazu Read Unique Identifier.
Preamble | Start charakter | Address | Command | Byte count | Status | Data | Checksum1 |
3 bajty | 1 bajt | 4 bity (38 bitů) | 2 bajt | 1 bajt | 2 bajty | 0-25 bajtů | 1 bajt |
Struktura zprávy sběrnice HART
Význam jednotlivých polí rámce zprávy sběrnice HART:- Preamble - alespoň 3 byty s hodnotou 0xFF, slouží pro synchronizaci přenosu
- Start charakter - 1 byte indikuje směr přenosu dat, označuje krátký nebo dlouhý formát rámce a tzv. "burst mode"
- Address - 1 bit je určený pro výběr řadiče Master (primární/sekundární), další bity udávají adresu senzoru buï v krátkém formátu (4 bity) nebo dlouhém (32 bitů)
- Command - 1 byte určuje číslo příkazu (např. 0 - přečti jednoznačný indentifikátor senzoru, 1 - přečti hodnotu primární proměnné, 2 - přečti hodnotu výstupního proudu v % rozsahu atd. ); číslo příkazu je uvedeno i v odpovědi senzoru řadiči Master. Zde se právě uplatňuje výše zmíněné dělení příkazové sady.
- Byte count - 1 byte s počtem bytů přenášených jako status + data v následující sekci
- Status - v odpovědi senzoru na každý příkaz indikuje stav
- Data - eventuální data příkazu nebo odpovědi od senzoru (0 až 25 bytů)
- Checksum - 1 byte, udává XOR všech předchozích bytů zprávy od Start charakter bytu
Hardwarová realizace komunikace
Následující obrázek ukazuje blokové schéma komunikace prostřednictvím protokolu HART přes analogovou proudovou smyčku. Senzor i se zabudovanou komunikací HART může být nadále napájen jen z proudové smyčky a proto odpadá nutnost zajištění externího napájení.
Příklad komunikace pomocí protokolu HART
Pro hardwarovou realizaci komunikace prostřednictvím HART, se může využít speciálních integrovaných obvodů pracujících jako HART modemy. Na trhu existuje například IO 20C15 HART modem od společnosti Symbios Logic. Na následujícím obrázku je příklad zapojení tohoto HART modemu s DAC převodníkem signálu na analogovou proudovou smyčku 4-20 mA AD 421 od Analog Devices.
Příklad spojení budiče analogové proudové smyčky AD 421 a modemu HART 20C15
V tomto zapojení je výstup do proudové smyčku na pinech LOOP PLUS a LOOP MINUS. Přijímaná data protokolu HART jsou odebírána přímo ze vstupu a filtr typu horní propust tvořený C22-R16 a C21-R15 propustí pouze data na vstupní pin HART modemu IRXA (odfiltruje analogový signál). Výstupní datový signál z modemu z pinu OTXA je zaveden na pin C3, což je jeden z vývodů pro konndenzátory filtru D/A převodníku na IO AD 421. Odpory tohoto filtru jsou integrovány přímo na chipu AD 421. Z pinu LOOP_RTN IO AD 421 vychází již sloučený signál analogového signálového proudu a dat podle protokolu HART.
ZÁVěR
Prostřednictvím protokolu HART je možné provádět řízení inteligentních senzorů, tzv. smart senzorů ve smyslu nastavování rozsahů, kalibrace nebo monitorování jejich funkce a parametrů například prostřednictvím nějaké lokální sítě nebo i internetu. FSK modulace pro přenos dat společně s odolným analogovým přenosem prostřednictvím již dlouho zavedené proudové smyčky 4-20 mA, zajišťují velkou odolnost proti rušení v průmyslu. Navíc pro přechod na komunikaci prostřednictvím protokolu HART stačí jen vyměnit senzory či stávající zařízení doplnit o HART modem a veškerá již dříve položená kabeláž zůstává nezměněna.
Odkazy :
[1] Albert O'Grady: Adding HART® Capability to the AD421, Loop-Powered 4 mA–20 mA DAC Using the 20C15* HART Modem, Analog Devices
[2] A. Platil, P. Ripka : Senzory a převodníky, skripta čVUT 2004
[3] B&B electronics: Current Loop Aplication Note, 1995
[4] A. Vojáček: Proudová smyčka 4-20mA
Antonín Vojáček
vojaceka1@ seznam.cz
