Hart转modbus控制器需求分析-264

[SA21225264]

                            Hart转modbus控制器需求分析

1.课题目的及需求分析

该课题主要为基于单片机实现一款类似网关的中转控制器，作为modbus的主站获取传感器从站的相应参数，发送命令，同时作为hart的从站接收hart命令，并进行相应的处理。采用的主板为国产型号，相比西门子plc上百元的价格，有大幅度的成本节约。同时HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，可以通过模数转换器直接在模拟信道传输数字信号，在国内的使用较少，而modbus的使用较多，该转换器具有较高的实现价值。

2.调研

HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。HART 规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。

1. 信号定义

采用Bell202标准的FSK频移键控信号，1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”。

1. 位速率：待定

 

1. 字节结构
2. PREAMBLE  START    ADDR     COM     BCNT     STATUS   DATA     PARITY

引导码     定界符   地址    命令号   数据长度   响应码   数据字节  奇偶校验

 

1) PREAMBLE: 引导码, 一般是5..20个0xFF, 他是一组同步传输的同步信号, 用以保证信息的同步. 在开始通讯的时候，使用的是20个FF引导码, 从机应答0信号时将告之主机他“希望”接收几个字节的引导码, 另外主机也可以用59号命令告诉从机应答时应用几位引导码.

 

2) START 起始字节, 说明结构为“长”还是“短”, 消息源, 是否是“突发”模式消息.

        0x02:      主机到从机的短帧

        0x82:      主机到从机的长帧

        0x06：   从机到主机的短帧

        0x86:      从机到主机的长帧

       0x01:      突发模式的短帧

               0x81:      突发模式的长帧

一般设备进行通讯接收到2个FF字节后, 就表示数据位的接收已经同步, 就将侦听起始位.

 

 

//突发模式待商定

3) ADDR(1/5Bytes)
       地址字节，他包含了主机地址和从机地址，如前所述，短结构中占1字节，长结构中占5字节。无论长结构还是短结构，因为HART协议中允许2个主机存在，所以我们用首字节的最高位来进行区分，值为1表示第一主机地址，第二主机用0表示。“突发”模式是特例，0，1值将交替出现，也就是说，在该模式下，赋予2个主机的机会均等。次高位为1表示为“突发”模式，短结构用首字节的0～4位表示值为0～15的从机地址，第5，6位赋0；而长结构用后6位表示从机的生产厂商的代码，第2个字节表示从机设备型号代码，后3～5个字节表示从机的设备序列号，构成“唯一”标志码。

短帧：

 

长帧：

长结构用后6位表示从机的生产厂商的代码, 第2个字节表示从机设备型号代码，后3～5个字节表示从机的设备序列号, 构成“唯一”标志码.

另外，长结构的低38位如果都是0的话表示的是广播地址，即消息发送给所有的设备。

 

 

4）COM(1Byte)

命令字节, 范围为253个, 用HEX的0~FD表示. 31，127，254，255为预留值。

 

5).  BCNT(1Byte)

数据总长度，他的值表示的是BCNT下一个字节到最后（不包括校验字节）的字节数.

接收设备用他可以鉴别出校验字节, 也可以知道消息的结束.

因为规定数据最多为25字节, 所以他的值是从0～27。

 

6. STATUS(2Bytes)

状态字节, 他也叫做“响应码”，顾名思义, 他只存在于从机响应主机消息的时候, 用2字节表示.

他将报告通讯中的错误\接收命令的状态（如：设备忙、无法识别命令等）和从机的操作状态。

如果我们在通讯过程中发现了错误, 首字节的最高位（第7位）将置1，其余的7位将汇报出错误的细节，而第2个字节全为0.

否则，当首字节的最高位为0时，表示通讯正常，其余的7位表示命令响应情况，第2个字节表示场设备状态的信息。

UART发现的通讯错误一般有：奇偶校验、溢出和结构错误等。

命令响应码可以有128个, 表示错误和警告, 他们可以是单一的意义, 也可以有多种意义，我们通过特殊命令进行定义、规定.

现场设备状态信息用来表示故障和非正常操作模式。

7. DATA(BCNT-2)

数据字节，首先是并非所有的命令和响应都包含数据字节，他最多不超过25字节（随着通讯速度的提高，正在要求放宽这一标准）。

数据的形式可以是无符号的整数（可以是8，16，24，32 b），浮点数（用IEEE754单精浮点格式）或ASCII字符串，还有预先制定的单位数据列表。具体的数据个数根据不同的命令而定。

8. CHK(1Byte)

奇偶校验，方式是纵向奇偶校验，从起始字节开始到奇偶校验前一个字节为止。另外，每一个字节都有1位的校验位，这两者的结合可以检测出3位的突发错误。

 

3.软件实现思路、

该控制器主要分为两大模块，分别是hart模块以及modbus模块。

 

其中每个模块的代码流程基本遵从一下流程图。