実際のアプリケーションでは、HART プロトコルは、Modbus プロトコルに次いでユニファイド フィールド バスに最も近い規格です。主に 4 ～ 20mA の電流信号にデジタル信号を重畳します。物理層は、Bell 202 標準 FSK テクノロジを使用して、アナログ信号とデジタル信号相互干渉のない双方向同時通信。HART プロトコルは、伝送の物理的形式、メッセージ構造、データ構造、および一連の操作命令を指定し、システム内に 2 つのホスト (1 つはシステム制御用、もう 1 つは HART 通信用) の存在を可能にするマスター/スレーブ プロトコルです。ハンドヘルド デバイス).)、1 対のケーブルで最大 15 台のスレーブ デバイスを接続できます。
HART プロトコル、つまり ==Highway Addressable Remote Transducer Protocol ==、アドレッサブル リモート センサー ハイウェイ プロトコルは、4 ～ 20mA のアナログ信号に FSK デジタル信号を重畳し、アナログ信号とデジタル信号を送信できます。
HART は 4 ～ 20 mA のアナログ信号に 1200 b/s の FSK (Frequency Shift Keying、周波数偏移変調) 信号を乗せて通信しますが、その平均値は 0 であり、この FSK 信号はアナログ信号に影響を与えません。純粋なデジタル通信では、HART では最大 15 台のフィールド デバイスをロードできます。HART プロトコルは、信号の劣化にもかかわらず通信を継続するために受信機と送信機の感度に特別な規定を設けており、これにより干渉やシンボル間クロストークの可能性も低減されます。
HART プロトコルの特徴の 1 つは、アナログとデジタルの同時通信が可能であることです。長年にわたり、デバイスで使用されるフィールド通信規格は 4 ～ 20 mA のアナログ電流信号でした。ほとんどのアプリケーションでは、温度や圧力などの測定パラメータを表すために 4 ～ 20 mA の値が使用されます。HARTプロトコルは伝送プロセスだけではありません測定パラメータ、また、アナログ信号に重畳されたデジタル信号を使用して送信します。制御情報。このようにして、HART プロトコルは、ほとんどのスマート デバイスと多数の既存のアナログ デバイスをサポートできます。
FSK 周波数シフト キーイング技術では、ロジック 1 は 1200HZ の周波数で表され、ロジック 0 は 2200HZ の周波数で表され、メッセージ送信速度は 1200b/s です。
HART 通信構造モデルは
ISO のオープン相互接続モデルに基づいており、OSI のアプリケーション層、データリンク層、物理層に対応する 3 つの層に分かれています。
HART通信構造モデル
| OSI層 | HARTレベル |
|---|---|
| アプリケーション層 | HARTコマンド |
| データリンク層 | プロトコル仕様 |
| 物理層 | ベル202 |
HARTプロトコルの物理層
Bell 202 通信規格は、もともと電話回線でのデジタル通信の規格であり、電話回線を使用して、ファックスで使用される通信プロトコルであるデジタル信号を送信しました。HART 信号の変調/復調にも FAX と同じ Bell 202 規格が使用されますが、HART のインピーダンスと信号レベルの規制、特に HART の 4 mA の低消費電力要件は FAX の規制とは異なります。HART 信号の変調/復調には、これらの特別な性能要件を満たす特殊な変調器/復調器チップの使用が必要です。
HART プロトコルでは、マスター デバイス (シングル マスター デバイス制御システムまたはハンドヘルド通信システム) が電圧信号を送信し、スレーブ デバイスが電流信号を送信することが規定されています。通常の 2 線式伝送は、ループの電流を制御し、いくつかの制御システムを通じてサンプリングし、アナログ/デジタル信号変換を実行するために使用されますが、この変換要件は既存の HART 信号には影響しません。
HART プロトコルのデータリンク層 データ
リンク層プロトコル仕様の目的は、フィールド機器などのスレーブデバイスとの間で信頼性の高い双方向データ通信チャネルを確立することです。
データリンク層は HART プロトコルの形式を指定し、アドレス指定可能な範囲は 0 ～ 15 です。アドレスが 0 の場合、20mA およびデジタル信号ポイントツーポイント モードになります。特定のシリアル通信は、フィールド機器と、PC または制御システムおよびハンドヘルド コミュニケータを含む 2 つのデジタル通信マスター デバイス (通信デバイスまたはマスター デバイスとも呼ばれます) の間で使用されます。シングルポイントモードでは、メイン変数（測定値）をアナログ出力またはデジタル通信モードで読み出すことができ、デジタルモードで読み出す場合、ポーリングアドレスは常に0となります。つまり、シングルポイントモードでは、デジタル信号と 4 ～ 20 mA のアナログ信号が同時に有効になります。
HART プロトコル フレームは、ツイスト ペアを介して完全デジタル方式で通信することもできます。アドレスが 1 ～ 15 の場合、完全なデジタル通信状態になり、ポイントツーマルチポイント モードで動作します。1 つのリンクで 15 台のショート アドレスのスレーブ デバイスをサポートできます。ロング アドレスを使用する場合、デバイスの数は無制限です。通信リンクで必要なクエリ レートにのみ依存します。通信モードには、質疑応答モードとバースト モード (ポイントツーポイント、自動および継続的な情報送信) が含まれます。質疑応答モードでのデータ更新レートは 2 ～ 3 回、バースト モードでのデータ更新レートは 3 ～ 4 回/秒です。
フルデジタル モードまたはマルチポイント モードを使用する場合、4 ～ 20 mA のアナログ出力信号は無効になります (出力デバイスは、主に送信機に電力を供給するため、4 m で最も少ない電力を消費し、各フィールド デバイスは並列に接続されます)。このシステムはデジタル通信方式を採用しており、一対の伝送路上で並列接続された複数のフィールド機器の測定値（またはその他のデータ）を順番に読み取ります。このように制御システムを構築すると、フィールド配線や主装置の入力インターフェース回路のコストが大幅に削減され、制御システムにとって大きなメリットが得られます。誤り検出符号情報を冗長化し、回線ノイズや混信によるデータ誤りを排除し、誤りのないデータ伝送を実現します。
HART プロトコルは、すべてのデバイスをスレーブ デバイス、バースト モード デバイス、マスター デバイスの 3 つのカテゴリに分類します。スレーブ デバイスは、最も一般的で基本的なタイプのデバイスです。測定値やその他のデータを含むデジタル信号を受信および提供します。フィールド スマート機器は通常、スレーブ デバイスです。バースト モード デバイスは、通常はスタンドアロンのブロードキャスト デバイスとして、特に要求されたデータを含まない測定値またはその他のデータを含むデジタル信号を定期的な間隔で送信することで応答します。マスター デバイスは、スレーブ デバイスまたはバースト モード デバイスとの対話の初期化、制御、および終了を担当します。メインデバイスは第 1 メインデバイスと第 2 メインデバイスに分けることができ、通常、第 1 メインデバイスは制御システムを指し、第 2 メインデバイスは HART プロトコルのハンドヘルドデバイスを指します。
HART プロトコルのアプリケーション層
HART プロトコルのアプリケーション層は、コマンドの形式でプログラミング インターフェイスを提供し、すべての読み取りおよび書き込み操作はコマンドの形式で完了します。さらに、リンク管理などのプロトコル自体の一部の機能もコマンドによって実装されます。
通信中、コマンドはコマンド形式に従って完全な HART プロトコル フレームに組み立てられ、すぐに送信されます。データリンク層は HART 形式を指定しますが、データリンク層は HART 形式のデータ セグメントの意味を解釈しません。 HART: この作業は、HART プロトコル アプリケーション層によって実行されて完了します。アプリケーション層は、HART メッセージ パッケージで 3 種類のコマンドを指定します: 1 つ目は一般的なコマンドで、HART プロトコルに準拠するすべての製品に適用され、HART プロトコルに準拠するデバイスの機能説明を提供します。 HART プロトコルに準拠するデバイスに適した共通コマンド。ほとんどの製品では、デバイスに特定の機能がある場合、このコマンドはこれらの機能を説明するために使用されます。3 番目のカテゴリは特殊コマンドで、準拠する特殊な製品に適しています。 HART プロトコルを使用して、いくつかの特別な機能説明コマンドを提供します。メーカーが製造した特別な機能を備えた製品については、HART は相互運用性を確保するためにデバイス記述言語 (DDL) も提供します。
各層間の機能関係
物理層の基本的なタスクは、データ伝送用に適切な物理信号波形を提供し、伝送媒体に直接接続することです。物理層は電気インターフェースとして、データリンク層から情報を受け取り、それを物理信号に変換してフィールドバスの伝送媒体に送信し、送信ドライバーの役割を果たします。バス伝送媒体からの情報 物理信号は情報に変換され、受信機の役割を果たすデータリンク層に送信されます データリンク層からデータ情報を受け取る際には、データにプリアンブルとデリミタを追加する必要がありますHART プロトコル仕様に従って、待機してデータのエンコードを実行し、生成された物理信号を送信ドライバーを介してバスの伝送媒体に送信します。一方、バス上の他のデバイスから物理信号を受信し、プリアンブルとデリミタを削除してデコードし、データ情報をデータリンク層に送信します。データリンク層は、物理層とアプリケーション層の間のインターフェイスを指定し、伝送媒体へのアクセスを制御して、伝送媒体にアクセスできるかどうか、いつアクセスできるかを決定します。
HARTメッセージフレーム構造
RS-232 シリアル通信プロトコルは 1 バイト (Byte) を送信するプロトコルですが、Modbus はシリアル ポートを使用して一度に複数バイトを連続的に送信するプロトコルです。HART は、シリアル ポートを使用して一度に複数バイトを連続的に送信するもう 1 つのプロトコルです。HART には複数のバイトが含まれ、1 バイトには複数のビットが含まれます。シリアル通信の 1 バイトには、通常、1 つのスタート ビット、8 つのデータ ビット、1 つの奇数/偶数パリティ ビット、および 1 つのストップ ビットの 11 ビットが含まれます。HART プロトコルはシリアル通信のバイト定義を借用しています。つまり、1 バイトは 11 ビットを使用し、ボーレートは 1200 b/s (もっとゆっくり）。
一般的なHART構造には、プリアンブル（プリアンブル）バイト、スタートバイト、アドレスバイト、コマンドバイト、バイトカウント、ステータスバイト、データバイト、チェックバイトなどが含まれます。各部分は複数のバイトで構成され、各バイトは 11 ビットです。
通信の形式は、
通常、HART プロトコルのマスター/スレーブ モードに従います。通信はマスター デバイスによって開始され、スレーブ デバイスは最初に「リッスン」し、次に「応答」します。最初のマスター デバイスと 2 番目のマスター デバイスが交互にアクセスします。同じ優先順位の通信リンクですが、「デッドロック」を防止し、2 つのマスター デバイスが同時にリンクにアクセスできないように、異なるタイミング時定数が設定されています。特定のマスター デバイスとの通信が終了すると、最初にキャリアをリッスンし、別のマスター デバイスが通信リンクにアクセスできることを確認するために一定時間待機する必要があります。通信リンク上にキャリアがある場合、マスター デバイスは通信リンクの使用を中止する場合は、時間が経過しても、マスター デバイスは引き続き通信リンクにアクセスできます。通信リンク上にバースト モード デバイスが存在する場合、マスター デバイスは、バースト モード デバイスと他のマスター デバイス間のバースト通信が完了した後でのみ通信リンクにアクセスできます。HART プロトコルは、フィールド機器のオプション機能としてバースト機能を使用します。
HART 操作コマンド
HART プロトコルの操作コマンドは、一般コマンド、通常コマンド、特殊コマンドの 3 つに分類できます。このうち、汎用コマンドと通常コマンドを総称して標準コマンドと呼びます。
共通コマンド
- メーカーと製品モデルを読み上げます。
- メイン変数と単位を読み出します。
- 出力電流とその割合を読み取ります。
- 最大 4 つの事前定義された動的変数名を読み出します。
- 8 文字のタグ番号、16 文字の説明、日付などを読み書きします。
- 32 文字のメッセージを読み書きします。
- 送信機の測定範囲、単位、減衰時定数を読み取ります。
- 直列の読み出しセンサーの数とその制限。
- 最後のアセンブリ番号を読み取るか書き込みます。
- ポーリングアドレスなどを書き込みます。
通常のコマンド
- 最大 4 つの動的変数を読み出します。
- 書き込みダンピング時定数。
- 送信機の範囲を書き込みます。
- 校正（ゼロとスパンを設定）;
- セルフテストを完了します。
- マスターデバイスのリセットを完了します。
- マイクロ D/A コンバータの一次可変ゼロ点。
- メイン変数ユニットを書き込みます。
- マイクロ D/A コンバーターのゼロとゲイン。
- 伝送タイプ (平方根/リニア) を書き込みます。
- 直列に接続されたセンサーの数を書き込みます。
- 動的変数割り当てなどの読み取りまたは書き込み。
特別なコマンド
- 線形校正。
- 温度校正。
- 平方根小信号トランケーション値の読み取りまたは書き込み。
- アキュムレータを開始、停止、またはクリアします。
- 主な変数 (質量、流量、密度) を選択します。
- 構成情報の読み取り/書き込み。
- 微調整センサーの校正など
次回はRS-485を勉強してみます