HART智能儀表通用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)

孫明革，關(guān) 波，徐松梅

(1.吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林132022;2.中國(guó)石油吉林石化公司 化肥廠，吉林 吉林132021;3.吉林中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司染料廠，吉林吉林132021)

HART(Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議，是一項(xiàng)4～20mA信號(hào)與數(shù)字通信技術(shù)兼容的過(guò)渡性標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已有 Rosemount，ABB，F(xiàn)uji，Moore，E+H，Honeywell，F(xiàn)isher Controls 等 70 多家公司參加了HART協(xié)議基金HCF.由于HART協(xié)議眾多不容置疑的優(yōu)點(diǎn)，使它成為全球應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議［1］.

目前國(guó)內(nèi)外許多著名的儀表生產(chǎn)廠家都生產(chǎn)支持HART協(xié)議的智能現(xiàn)場(chǎng)儀表，但是不同廠家各自采用自己開(kāi)發(fā)的便攜式編程器組態(tài)各自的儀表，這樣存在操作不方便、通用性差等缺陷.雖然在PC機(jī)上開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的組態(tài)軟件，但是也存在通用性差、功能少等缺點(diǎn).本文主要通過(guò)對(duì)HART命令的解析來(lái)闡述HART組態(tài)軟件的工作原理，以及依據(jù)HART協(xié)議，利用C#高級(jí)語(yǔ)言編寫一種支持HART協(xié)議的通用組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)HART命令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的控制，并闡述了基本編程思路［2-3］.

1 工作原理

1.1 系統(tǒng)通訊連接示意圖

HART儀表組態(tài)軟件通過(guò)USB-HART轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表連接，當(dāng)HART儀表組態(tài)軟件發(fā)送命令至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)智能儀表會(huì)立即回應(yīng)主機(jī)，根據(jù)其應(yīng)答的數(shù)據(jù)信息可以得到當(dāng)前儀表的工作狀態(tài)以及儀表本身存儲(chǔ)的各種信息.系統(tǒng)通訊連接示意圖如圖1所示［4-5］.

圖1 系統(tǒng)通訊連接示意圖

1.2 HART 協(xié)議幀

在HART協(xié)議中，實(shí)體間的數(shù)據(jù)傳輸是以幀的形式實(shí)現(xiàn)的.HART協(xié)議幀由用戶數(shù)據(jù)和地址信息封裝而成，它由前導(dǎo)符、定界符、地址域、命令域、字節(jié)長(zhǎng)度域、數(shù)據(jù)域、狀態(tài)域以及校驗(yàn)位組成［4-5］.具體如表1 ～2 所示.

表1 請(qǐng)求幀

表2 響應(yīng)幀

(1)前導(dǎo)符一般是5～20個(gè)FF十六進(jìn)制字節(jié).它實(shí)際上是同步信號(hào)，各通訊設(shè)備可以據(jù)此略做調(diào)整，保證信息的同步;

(2)定界符可以用來(lái)表示使用的結(jié)構(gòu)是“長(zhǎng)”結(jié)構(gòu)或者“短”結(jié)構(gòu)、消息源是否是“突發(fā)”模式消息.主機(jī)到從機(jī)為短結(jié)構(gòu)時(shí)，起始位為02，長(zhǎng)幀時(shí)為82.從機(jī)到主機(jī)的短結(jié)構(gòu)值為06，長(zhǎng)結(jié)構(gòu)值為86.而為“突發(fā)”模式的短結(jié)構(gòu)值為01，長(zhǎng)結(jié)構(gòu)為81;

(3)地址域包含了主機(jī)地址和從機(jī)地址，短結(jié)構(gòu)中占1字節(jié)，長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中占5字節(jié).無(wú)論長(zhǎng)結(jié)構(gòu)還是短結(jié)構(gòu)，HART協(xié)議中允許2個(gè)主機(jī)存在，用首字節(jié)的最高位來(lái)進(jìn)行區(qū)分，值為1表示第一主機(jī)地址，第二主機(jī)用0表示.短結(jié)構(gòu)用首字節(jié)的0～4位表示值為0～15的從機(jī)地址，第5、6位賦0;而長(zhǎng)結(jié)構(gòu)用后6位表示從機(jī)的生產(chǎn)廠商的代碼，第2個(gè)字節(jié)表示從機(jī)設(shè)備型號(hào)代碼，后3～5個(gè)字節(jié)表示從機(jī)的設(shè)備序列號(hào)，構(gòu)成“唯一”標(biāo)志碼;

(4)命令域的范圍為253個(gè)，用HEX的0～FD表示;

(5)字節(jié)長(zhǎng)度域的值表示自下一個(gè)字節(jié)到最后字節(jié)(不包括校驗(yàn)字節(jié))的字節(jié)數(shù);

(6)響應(yīng)碼只存在于從機(jī)響應(yīng)主機(jī)消息的時(shí)候，用2個(gè)字節(jié)表示.它將報(bào)告通訊中的錯(cuò)誤、接收命令的狀態(tài)(如:設(shè)備忙、無(wú)法識(shí)別命令等)和從機(jī)的操作狀態(tài);

(7)數(shù)據(jù)域表示傳送和接收的數(shù)據(jù)，一般不超過(guò)25個(gè)字節(jié);

(8)校驗(yàn)方式采用縱向奇偶校驗(yàn)，從起始字節(jié)開(kāi)始到奇偶校驗(yàn)前一個(gè)字節(jié)為止.

通過(guò)對(duì)HART協(xié)議的請(qǐng)求幀和響應(yīng)幀的結(jié)構(gòu)分析，得出正式進(jìn)行儀表通訊之前需進(jìn)行儀表測(cè)試，來(lái)確定制造商的設(shè)備類型、廠商的代碼、設(shè)備的版本號(hào)及標(biāo)識(shí).

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖包括用戶注冊(cè)模塊、發(fā)送HART命令模塊、接收數(shù)據(jù)顯示模塊、通訊狀態(tài)顯示模塊及接收發(fā)送字節(jié)數(shù).具體如圖2所示［2-3，6］.

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

用戶注冊(cè)模塊:只有注冊(cè)用戶才能正常使用該軟件;

發(fā)送HART命令:串口打開(kāi)后，用戶可通過(guò)發(fā)送HART命令與智能儀表進(jìn)行通訊，獲取或設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài);

接收數(shù)據(jù)顯示:把接收來(lái)的字節(jié)轉(zhuǎn)化為文字信息或數(shù)字信息顯示在屏幕上，表示用戶所需要的狀態(tài)信息;

傳輸狀態(tài)顯示:反映響應(yīng)碼所對(duì)應(yīng)的通訊信息，只有響應(yīng)碼首字節(jié)為零時(shí)才說(shuō)明通訊正常，其它情況都表示通訊沒(méi)有正確執(zhí)行，根據(jù)響應(yīng)碼的數(shù)值顯示相應(yīng)的出錯(cuò)信息，有助于維護(hù)設(shè)備正常的運(yùn)行;

接收發(fā)送字節(jié)數(shù):顯示當(dāng)前接收或發(fā)送的字節(jié)數(shù).

2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

本組態(tài)軟件系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)設(shè)備測(cè)試后確定現(xiàn)場(chǎng)智能儀表的地址域，并且等待主機(jī)發(fā)送HART命令，當(dāng)獲取具體的HART命令后，根據(jù)命令的具體含義執(zhí)行相應(yīng)的操作.具體的系統(tǒng)流程圖如圖3 所示［7-15］.

圖3 系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 組態(tài)軟件操作界面

組態(tài)軟件的主操作界面如圖4所示，這里不做說(shuō)明.

圖4 主操作界面

3.2 C#串口驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)

組態(tài)軟件主界面上的每一個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的HART發(fā)送命令，每個(gè)命令的發(fā)送字節(jié)數(shù)與接收字節(jié)數(shù)都不一樣，發(fā)送前必須實(shí)現(xiàn)串口連接，本軟件通過(guò)創(chuàng)建SerialPort對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信的全過(guò)程.

程序中用到的SerialPort類的方法［2-3］:

ReadLine():從輸入緩沖區(qū)讀一新行的值，如果沒(méi)有，會(huì)返回NULL;

WriteLine(char

buffer，int offset，int count):寫入輸出緩沖;

Open():打開(kāi)一個(gè)新的串口連接;

Close():關(guān)閉.

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:

(1)添加引用

using System.IO.Ports;//串口類

(2)定義SerialPort類實(shí)例

private SerialPort SpCom = new SerialPort();//建立類實(shí)例

(3)超時(shí)設(shè)置

SpCom.WriteTimeout=2000;//寫入超時(shí)

SpCom.ReadTimeout=2000;//讀取超時(shí)

(4)設(shè)置通訊端口號(hào)及波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位

SpCom.PortName=this.comboBox1.SelectedItem.ToString();//獲取通訊端口號(hào)

SpCom.BaudRate=1200;//HART為固定波特率=1200HZ

SpCom.Parity = System.IO.Ports.Parity.Odd;//奇偶校驗(yàn)位，這里是奇校驗(yàn)

SpCom.DataBits=8;//8個(gè)數(shù)據(jù)位

SpCom.StopBits=System.IO.Ports.StopBits.One;//一個(gè)停止位

SpCom.ParityReplace=0;//當(dāng)發(fā)生奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，設(shè)置并返回替換數(shù)據(jù)流中一個(gè)非法字符的字符.

(5)打開(kāi)串口

SpCom.Open();

(6)發(fā)送數(shù)據(jù)

SpCom.Write(char

buffer，int offset，int count);

1.2.2 術(shù)中腿部按摩。術(shù)前調(diào)整器械托盤的高度,利于操作,術(shù)中用卵圓鉗夾住手術(shù)蓋單邊緣內(nèi)側(cè),將蓋單掀起并將鉗子尾端掛于預(yù)先準(zhǔn)備好的輸液架上,在不影響手術(shù)操作以及不違反無(wú)菌原則的情況下對(duì)患者進(jìn)行被動(dòng)活動(dòng)。由遠(yuǎn)心端向近心端按摩患者小腿部肌肉,每小時(shí)按摩一次,每次5-10分鐘,直至手術(shù)結(jié)束。

(7)添加接受事件

在運(yùn)行時(shí)將事件與事件處理程序相關(guān)聯(lián)(通過(guò)委托實(shí)現(xiàn)).

+=new SerialData-

EventHandler(this.DataReceived);

函數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)及轉(zhuǎn)化如下:

private void DataReceived(object sender，SerialDataReceivedEventArgs e)

{try{this.SpCom.BaseStream.Flush();//清除緩沖區(qū)

int j=this.SpCom.BytesToRead;

byte

Rdata=new byte［j］;

count+=j;

for(int i=0;i＜j;i++)

{Rcommand［count-j+i］=Rdata［i］;}//數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移

this.SpCom.BaseStream.Flush();}

catch(Exception err)//錯(cuò)誤信息提示

{MessageBox.Show(err.Message);}}

(8)關(guān)閉串口

SpCom.Close();

3.3 數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)顯示需要把接收到的字節(jié)數(shù)組經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到用戶需要的數(shù)據(jù)形式，這種轉(zhuǎn)換包括多種數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換［2-3］.

(1)四個(gè)字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)化單精度浮點(diǎn)數(shù)

byte

word=new byte［4］;

word［0］=Rcommand［firstdata+3］;//接收字節(jié)數(shù)組的第四個(gè)字節(jié)

word［1］=Rcommand［firstdata+2］;//接收字節(jié)數(shù)組的第三個(gè)字節(jié)

word［2］=Rcommand［firstdata+1］;//接收字節(jié)數(shù)組的第二個(gè)字節(jié)

word［3］=Rcommand［firstdata］;//接收字節(jié)數(shù)組的第一個(gè)字節(jié)

this.textBox5.Text= System.BitConverter.ToSingle(word，0).ToString();

//將四個(gè)字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)化成單精度浮點(diǎn)數(shù)并顯示在textBox5中

(2)指定字節(jié)數(shù)組序列解碼為字符串

this.textBox18.Text= System.Text.Encoding.ASCII.GetString(data，0，24);

//將data數(shù)組從0到開(kāi)始的24個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)化成字符串

(3)將字符序列編碼為字節(jié)數(shù)組

data=System.Text.Encoding.ASCII.Get-Bytes(str);

//將字符串str轉(zhuǎn)化為字節(jié)存入data數(shù)組中

(4)以字節(jié)數(shù)組形式返回指定的雙精度浮點(diǎn)值

order.data= System.BitConverter.GetBytes(da);//將浮點(diǎn)數(shù)da轉(zhuǎn)化為字節(jié)數(shù)組

(5)將指定區(qū)域的數(shù)值字符串轉(zhuǎn)化為等效的32位數(shù)值整數(shù)

data［0］=(byte)int.Parse(this.textBox32.Text);//將textBox32中的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為整數(shù)

(6)壓縮ASCII(6位ASCII)

壓縮ASCII數(shù)據(jù)格式是HART協(xié)議中特別之處.壓縮的ASCII是ASCII的子集，它通過(guò)去掉每個(gè)ASCII字符的高2位而產(chǎn)生.這就允許4個(gè)壓縮的ASCII字符占用3個(gè)ASCII字符的空間.由HART字符集可以看出，HART協(xié)議不允許有小寫英文字母出現(xiàn).由于篇幅，這里就不給出壓縮ASCII數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化非壓縮ASCII數(shù)據(jù)子程序和非壓縮ASCII數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化壓縮ASCII數(shù)據(jù)子程序［2-3］.

3.4 HART命令子程序(關(guān)鍵子程序)

所有命令發(fā)送前都要進(jìn)入該程序，用以確定要發(fā)送的字節(jié)數(shù)組，然后再通過(guò) Serialport類的Write屬性將字節(jié)發(fā)送給智能設(shè)備.該命令有兩個(gè)參數(shù):儀表檢測(cè)時(shí)得到的設(shè)備定界符(是長(zhǎng)幀還是短幀)和要發(fā)送的字節(jié)數(shù)組(該字節(jié)由系統(tǒng)根據(jù)用戶提供的數(shù)字或文字信息轉(zhuǎn)化而來(lái))［2-3］.

為了方便讀者，這里沒(méi)有給出程序框圖，而是直接給出了實(shí)現(xiàn)代碼.

具體代碼實(shí)現(xiàn)如下:

4 結(jié) 論

本軟件包括了HART協(xié)議中的所有通用命令、普通命令和一些特殊命令，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與各類支持HART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的遠(yuǎn)程通訊.具有操作界面友好、狀態(tài)顯示清晰、操作方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，并且本軟件增加了自編命令用來(lái)支持某些具有特殊命令的HART儀表，提高了軟件的通用性.

［1］ 丁穎，盛惠興.HART協(xié)議解析［J］.現(xiàn)代電子技術(shù).2004，27(1):14-17.

［2］ 熊輝，馬占德，牛耀林，等.基于HART協(xié)議的PC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)［J］.石油化工自動(dòng)化，2007(1):59-68.

［3］ 張夏，魏文雄，余淼，等.基于Windows的HART組態(tài)軟件設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程，2012，38(16):241-244.

［4］ 郭福田，姜軍，劉賢梅，等.基于HART協(xié)議的通信技術(shù)［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，24(1):55-77.

［5］ 孫廣軍.HART現(xiàn)場(chǎng)通訊協(xié)議［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2002(2):4-12.

［6］ 曹慶年，胡欣欣，孟開(kāi)元，等.基于HART協(xié)議的工業(yè)無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27(1):99-103.

［7］ 趙昀，魏祥毓，龐彥斌，等.符合HART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表通信卡軟件研究開(kāi)發(fā)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，22(z2):428-431.

［8］ 孔祥偉，周杏鵬.基于HART協(xié)議的智能壓力變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2010(2):15-17.

［9］ 郝靖，李擎，楊磊.基于HART協(xié)議的智能壓力變送器［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007(2):17-22.

［10］王忠民，梁玉偉.基于HART協(xié)議的礦用信號(hào)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2011(8):116-118.

［11］鄭永軍，李文軍，梁國(guó)偉等.基于HART協(xié)議的金屬管浮子流量計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，25(2):95-97.

［12］陳東宇，施一明，金建祥.基于HART協(xié)議的智能擴(kuò)散硅壓力變送器［J］.自動(dòng)化儀表，2001，22(6):17-19.

［13］劉軍華.HART協(xié)議通訊器在智能變送器實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)用［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2010，37(2):93-94.

［14］馬小永，黃玲.傳統(tǒng)變送器的HART改造［J］.自動(dòng)化儀表，2005，26(1):22-24.

［15］陳衛(wèi)兵，束慧.基于HART協(xié)議和模糊PID控制的智能氧量分析儀［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(11):2671-2674.