第三章信号标准化.ppt

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1、第三章第三章 信号的标准化信号的标准化Standardization of Signal要做到通用性和相互兼容，必须统一仪表要做到通用性和相互兼容，必须统一仪表之间的信号制。无论模拟信号和数字信号之间的信号制。无论模拟信号和数字信号都应标准化。都应标准化。第一节第一节 模拟信号的标准化模拟信号的标准化一、模拟气动信号一、模拟气动信号20KPa100KPa二、模拟直流电流信号二、模拟直流电流信号010mA（DDZ-），），0 1500 0 3000 420mA（DDZ-），250750（其阻抗不可过大）其阻抗不可过大）三、直流电流信号的优点三、直流电流信号的优点（1）直直流流比比交交流流干干扰扰

2、小小（指指对对附附近近仪仪表表的干扰）的干扰）（2）直直流流对对负负载载要要求求简简单单，无无须须考考虑虑负负载的容抗和感抗。载的容抗和感抗。（3）电电流流信信号号比比电电压压信信号号更更利利于于远远距距离离传传输输。恒恒流流源源内内阻阻无无穷穷大大，恒恒压压源源内内阻阻无无穷小。穷小。（4）直直流流信信号号容容易易获获得得基基准准电电压压。因因此此，世世界界各各国国都都以以直直流流电电流流和和直直流流电电压压作作为为统统一信号。一信号。四、四、直流电流信号直流电流信号应用电流作为统一信号时，如一个发送仪应用电流作为统一信号时，如一个发送仪表的输出电流要同时输送给几个接收仪表，表的输出电流要同

3、时输送给几个接收仪表，那末所有这些仪表必须串联连接，如图那末所有这些仪表必须串联连接，如图3-1所示。所示。图中图中：r r0 0为变送器的输出电阻，为变送器的输出电阻，R cm和和r ri i分别为连接导线的电阻和接收仪表的输入分别为连接导线的电阻和接收仪表的输入电阻，由它们组成为变送器的负载电阻。电阻，由它们组成为变送器的负载电阻。在实际使用中，导线长度和接收仪表的个在实际使用中，导线长度和接收仪表的个数是可以在一定范围内变化的，因此负载数是可以在一定范围内变化的，因此负载电阻也不是定值。由于发送仪表的输出阻电阻也不是定值。由于发送仪表的输出阻抗不可能无限大，负载电阻在一定范围内抗不可能无

4、限大，负载电阻在一定范围内变化时，输出电流的变化应小于允许值，变化时，输出电流的变化应小于允许值，这就是所谓的这就是所谓的“恒流性能恒流性能”。五、五、直流电压信号直流电压信号应用电压信号作为联络信号时，如一个发应用电压信号作为联络信号时，如一个发送仪表的输出电压要同时输送给几个接收送仪表的输出电压要同时输送给几个接收仪表，则几台接收仪表应并联连接，如图仪表，则几台接收仪表应并联连接，如图3-2所示。在并联连接时，由于并联仪表的输所示。在并联连接时，由于并联仪表的输入阻抗不是无限大，信号电压将在发送仪入阻抗不是无限大，信号电压将在发送仪表内阻及导线电阻上减弱，从而造成信号表内阻及导线电阻上减弱

5、，从而造成信号传输误差传输误差。为减小传输误差，要求发送仪表内阻及为减小传输误差，要求发送仪表内阻及导线电阻足够小。若远距离传输电压信号，导线电阻足够小。若远距离传输电压信号，则增大了则增大了R cm势必对接收仪表电阻提出过高势必对接收仪表电阻提出过高的要求，而输入阻抗高将易于引入干扰，的要求，而输入阻抗高将易于引入干扰，因此电压信号不适于作远距离传输的信号。因此电压信号不适于作远距离传输的信号。接收仪表输入阻抗越高，误差越小。当接收仪表输入阻抗越高，误差越小。当并接的仪表较多时，相当于总的输入阻抗并接的仪表较多时，相当于总的输入阻抗减小，误差增大，因此并接的仪表越多，减小，误差增大，因此并接

6、的仪表越多，要求每个仪表的输入阻抗就越大。要求每个仪表的输入阻抗就越大。六、信号上下限大小的比较六、信号上下限大小的比较表表3-2中，传输信号的下限值中，传输信号的下限值(“零点零点”)电流不电流不一样，序号一样，序号1规定为规定为4mA，序号，序号2规定为规定为0mA。后者称为后者称为“真零真零”信号，前者称为信号，前者称为“活零活零”信信号。号。信号下限从零开始，便于进行模拟量的加、减、信号下限从零开始，便于进行模拟量的加、减、乘、除、开方等数学运算。乘、除、开方等数学运算。“真零真零”信号最为信号最为直观，处理起来十分方便。但是它难以区别正直观，处理起来十分方便。但是它难以区别正常情况下

7、的下限值和电路故障常情况下的下限值和电路故障(例如断线例如断线)，容，容易引起误解或误操作。易引起误解或误操作。“活零活零”信号在正常的信号在正常的下限值时是下限值时是4mA，一旦出现，一旦出现0mA，肯定是发，肯定是发生了断线、短路或是停电，能及时发现故障，生了断线、短路或是停电，能及时发现故障，对生产安全极为有利。对生产安全极为有利。采用采用“活零活零”信号不但为两线制变送器创造了工作信号不但为两线制变送器创造了工作条件，而且还能避开晶体管特性曲线的起始非线性，条件，而且还能避开晶体管特性曲线的起始非线性，这也是这也是420mA信号比信号比010mA信号优越之处。信号优越之处。在运算处理在

8、运算处理“活零活零”信号之前，要先把对信号之前，要先把对应于零点的信号值减掉，运算完的结果还应于零点的信号值减掉，运算完的结果还要把零点信号加上去。这固然不甚方便，要把零点信号加上去。这固然不甚方便，但在广泛应用运算放大器和微处理机的仪但在广泛应用运算放大器和微处理机的仪表里，减或加某个常数表里，减或加某个常数(相当于电压相当于电压1V)是非是非常容易的，所以采用常容易的，所以采用“活零活零”信号也就不信号也就不成问题了。成问题了。信号电流范围的上限值受到电路功率的限信号电流范围的上限值受到电路功率的限制，不宜过大，以免输出电路的设计和器制，不宜过大，以免输出电路的设计和器件选择不便。况且信号

9、电流过大还容易使件选择不便。况且信号电流过大还容易使导线和元器件发热，不利于安全防爆。国导线和元器件发热，不利于安全防爆。国外的电动仪表，一般信号的上限都不超过外的电动仪表，一般信号的上限都不超过50mA。从减小直流电流信号在传输线中的。从减小直流电流信号在传输线中的功率损失和减小仪表体积，以及提高仪表功率损失和减小仪表体积，以及提高仪表的防爆性能等方面看，希望电流信号上限的防爆性能等方面看，希望电流信号上限小些好。但是，信号上限值选得过小也不小些好。但是，信号上限值选得过小也不好，因为微弱信号易受干扰，而且要求接好，因为微弱信号易受干扰，而且要求接收的仪表有较高的灵敏度，这给仪表的输收的仪表

10、有较高的灵敏度，这给仪表的输入和放大电路带来设计上的困难。入和放大电路带来设计上的困难。当确定采用当确定采用“活零活零”信号后，上限值与下信号后，上限值与下限值之比最好是限值之比最好是5：1，以便与气动模拟信，以便与气动模拟信号的上下限有同样的比值，这样，电流信号的上下限有同样的比值，这样，电流信号和气压信号就有一一对应的关系，容易号和气压信号就有一一对应的关系，容易相互换算。所以，我国规定的相互换算。所以，我国规定的420mA及及其辅助联络信号其辅助联络信号15V和和20100kPa具有具有同样的上下限比值。同样的上下限比值。第二节第二节 数字信号标准化数字信号标准化安装在生产现场的仪表和控

11、制室内的仪表安装在生产现场的仪表和控制室内的仪表或装置之间的数字式串行通信链路，称为或装置之间的数字式串行通信链路，称为现场总线。现场总线。现场总线是数字通信系统里最低的一级，现场总线是数字通信系统里最低的一级，也是最基本的一级。也是最基本的一级。现场总线从现场各类变送器或传感器取得现场总线从现场各类变送器或传感器取得信息，并通过控制器（信息，并通过控制器（DCS）向现场执行）向现场执行器传送控制指令或直接（器传送控制指令或直接（FCS）向执行器）向执行器传送控制指令。传送控制指令。现场总线的关键技术是通信协议。在发展初现场总线的关键技术是通信协议。在发展初期，各大自动化集团各自推出自己的现场

12、总期，各大自动化集团各自推出自己的现场总线，其类型达线，其类型达40种之多。为了用户便于使用，种之多。为了用户便于使用，达到各总线之间互联的目的，就必须实行大达到各总线之间互联的目的，就必须实行大家都遵守的国际标准，以实现开放、兼容、家都遵守的国际标准，以实现开放、兼容、互操作的目的。互操作的目的。国际国际IECTC65标准化组织，为了统一现场标准化组织，为了统一现场总线通信协议，在十多年的工作中，通过争总线通信协议，在十多年的工作中，通过争论与妥协，于论与妥协，于1999年年12月底，各委员国家月底，各委员国家投票表决，通过了投票表决，通过了8种总线标准的折中方案，种总线标准的折中方案，并于

13、并于2000年年1月月4日，由日，由IEC中央办公室公布中央办公室公布了投票结果。了投票结果。这这8种总线标准的类型是：种总线标准的类型是：FF-H1（现场总线基金会）；（现场总线基金会）；CONTROLNET(美国美国ROCKWEIL公司公司)；PROFIBUS(德国西门子公司德国西门子公司)；P-NET(丹麦丹麦PROCESS DATA公司公司)；FF-HSE(FISHER-ROSEMOUNT公司公司)；SWIFT NET(美国波音公司美国波音公司)；WORLDFIP(法国法国ALSTOM公司公司)；INTERBUS(德国德国PHOENIX CONTACT公公司司)。这些现场总线类型中适合

14、过程自动化的有这些现场总线类型中适合过程自动化的有三种，即三种，即FF、PROFIBUS和和WORLDFIP。因各种现场总线标准互不兼容，很难实现因各种现场总线标准互不兼容，很难实现互操作。故在互操作。故在420mA向现场总线过渡时向现场总线过渡时期，还需要采用期，还需要采用HART协议，协议，HART也称为也称为准现场总线协议。准现场总线协议。信号的调制，将数字信号调制为模拟信号有三种方式：信号的调制，将数字信号调制为模拟信号有三种方式：一、一、HART协议协议 概述概述 HART现场通信协议是工业界广泛认可的现场通信协议是工业界广泛认可的标准，在标准，在420mA智能设备的基础上增加智能设

15、备的基础上增加了数字通信能力。该技术的普及使用非常了数字通信能力。该技术的普及使用非常迅速，目前，事实上所有主要仪表供应商迅速，目前，事实上所有主要仪表供应商都提供都提供HART协议产品。协议产品。HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在一条电缆上可以同时传递方案，在一条电缆上可以同时传递420mA模拟信号和数字信号。模拟信号和数字信号。HART在提供在提供现场总线的好处时，保留对现有现场总线的好处时，保留对现有420mA系统的兼容性。系统的兼容性。许多年以来，过程控制仪表使用的现场通许多年以来，过程控制仪表使用的现场通信标准是毫安模拟电流信号。在大多数

16、应信标准是毫安模拟电流信号。在大多数应用中，正比于所代表的过程参数，毫安信用中，正比于所代表的过程参数，毫安信号在号在420mA之间变动。事实上，所有已之间变动。事实上，所有已安装的工厂仪表系统都使用这一国际标准安装的工厂仪表系统都使用这一国际标准传输过程变量和操作变量信息。传输过程变量和操作变量信息。HART现场通信协议扩展了现场通信协议扩展了420mA 标准，标准，在智能测量和控制仪表的基础上提高了通在智能测量和控制仪表的基础上提高了通信能力。作为过程控制演变的重要一步，信能力。作为过程控制演变的重要一步，HART协议促进了过程仪表功能的大幅度革协议促进了过程仪表功能的大幅度革命。命。该技

17、术增强的通信特性反应在其协议名称该技术增强的通信特性反应在其协议名称上，上，“Highway Addressable Remote Transducer”翻译为可寻址远程变送器高速翻译为可寻址远程变送器高速公路，简称为公路，简称为HART。数字信号传送时要求传输线的频带很宽，在数字信号传送时要求传输线的频带很宽，在长距离通信时，其频带往往不能满足要求长距离通信时，其频带往往不能满足要求（频率较高的分量被衰减），即产生信号（频率较高的分量被衰减），即产生信号的畸变，而且数据通信速率越高信号的畸的畸变，而且数据通信速率越高信号的畸变越严重。为避免信号的畸变，通常采用变越严重。为避免信号的畸变，通常

18、采用调制调制/解调的办法，即将数字信号调制为模解调的办法，即将数字信号调制为模拟信号，再用电话线（双绞线）进行传送拟信号，再用电话线（双绞线）进行传送的，的，HART协议智能仪表在不干扰协议智能仪表在不干扰420mA模模拟信号的同时允许双向数字通信。拟信号的同时允许双向数字通信。420mA模拟和模拟和HART数字通信信号能在数字通信信号能在一条线对上同时传递。一条线对上同时传递。过程变量和操作变量信息由过程变量和操作变量信息由420mA传送传送(如果需要如果需要)，而另外的测量、过程参数、设，而另外的测量、过程参数、设备组态、校准及诊断信息在同一线对、同备组态、校准及诊断信息在同一线对、同一时

19、刻通过一时刻通过HART协议传送。协议传送。HART 协议协议移频键控移频键控FSK(Frequency Shift Keying)，或者称为两态调频。它的基本原理是把数或者称为两态调频。它的基本原理是把数字信号字信号“1”和和“0”调制成不同频率调制成不同频率(易于易于鉴别鉴别)的模拟信号，其原理如图的模拟信号，其原理如图3-3所示。所示。两个不同频率的模拟信号，分别由电子开两个不同频率的模拟信号，分别由电子开关控制，在运算放大器的输入端相加，而关控制，在运算放大器的输入端相加，而电子开关由要传输的数字信号电子开关由要传输的数字信号(即数据即数据DATA)控制。当信号为控制。当信号为“0”时

20、，控制电子时，控制电子开关开关1导通，送出一串频率较低导通，送出一串频率较低（1200Hz）的模拟信号；当信号为）的模拟信号；当信号为“1”时，时，控制电子开关控制电子开关2导通，送出一串频率较高导通，送出一串频率较高（2200Hz）的模拟信号，于是在运算放大）的模拟信号，于是在运算放大器的输出端，就得到了调制后的信号。器的输出端，就得到了调制后的信号。HART协议使用协议使用 Bell202 频移键控频移键控(FSK)技技术在术在420mA基础上对数字信息进行编码，基础上对数字信息进行编码，如图如图3-4和图和图3-5所示。所示。在在420mA上叠加幅度为上叠加幅度为0.5mA的正弦波，的正

21、弦波，因此模拟和数字信号可同时传递，数字因此模拟和数字信号可同时传递，数字 FSK 信号相位连续，不会影响信号相位连续，不会影响420mA信信号。逻辑号。逻辑“1”由由1200 Hz频率代表，逻辑频率代表，逻辑“0”由由2200 Hz 代表。由于叠加的正弦信代表。由于叠加的正弦信号平均值为号平均值为0，所以对模拟信号没有影响。，所以对模拟信号没有影响。HART（FSK）信号方式允许双向数字通信，）信号方式允许双向数字通信，使得除普通过程变量以外的更多信息，从使得除普通过程变量以外的更多信息，从智能现场仪表读取或发送到智能现场仪表。智能现场仪表读取或发送到智能现场仪表。HART协议协议1200

22、bits/s 通信速率在不打断通信速率在不打断420mA信号的同时，允许主站对来自现场信号的同时，允许主站对来自现场设备的数字数据每秒更新两次或更多。设备的数字数据每秒更新两次或更多。将数字信号变成模拟信号将数字信号变成模拟信号(频带信号频带信号)的过程的过程称为调制或将基带信号调制到载波上。称为调制或将基带信号调制到载波上。将模拟信号还原成数字信号的过程或把频将模拟信号还原成数字信号的过程或把频带信号还原成基带信号称为解调。带信号还原成基带信号称为解调。应用应用HART 基于主基于主/从协议原理，这意味着只有从协议原理，这意味着只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信在主站呼叫时，现场设备

23、（从站）才传送信息。息。在一个在一个HART网络中，两个主站网络中，两个主站(主和副）可主和副）可以与一个从设备通信。以与一个从设备通信。副主站，如手持终端，几乎可以连接在网络副主站，如手持终端，几乎可以连接在网络任何地方，在不影响主站通信的情况下与任任何地方，在不影响主站通信的情况下与任何一个现场设备通信。何一个现场设备通信。典型的主站可以是典型的主站可以是DCS、PLC、基于计算机、基于计算机的控制或监测系统。典型的两个主站的安装的控制或监测系统。典型的两个主站的安装见图见图3-6。HART 协议也支持在一个配置为多挂接的协议也支持在一个配置为多挂接的网络中在一条线对上连接多个设备，如图网

24、络中在一条线对上连接多个设备，如图3-7。在多挂接应用中，通信限定于数字主在多挂接应用中，通信限定于数字主/从方从方式。流经每一个从设备的电流固定在一个式。流经每一个从设备的电流固定在一个用于驱动该设备的最小值用于驱动该设备的最小值(通常为通常为 4mA)，而与过程毫无关系。而与过程毫无关系。观察安装可知，与连接传统观察安装可知，与连接传统420mA模拟模拟仪表一样的电缆用来传送仪表一样的电缆用来传送 HART通信信号。通信信号。所允许的电缆长度依电缆类型和连接的设所允许的电缆长度依电缆类型和连接的设备数目而不同，通常单芯屏蔽双绞电缆长备数目而不同，通常单芯屏蔽双绞电缆长度可达度可达3000m

25、，多芯带屏蔽双绞电缆可达，多芯带屏蔽双绞电缆可达1500m。更短的距离可使用非屏蔽电缆。更短的距离可使用非屏蔽电缆。通过本质安全栅通过本质安全栅/隔离器，隔离器，HART设备可以设备可以应用在危险场合。应用在危险场合。二、二、FF通信标准通信标准FF现场总线模型现场总线模型国际标准化组织国际标准化组织(简称简称ISO)于于1978年年2月开始研月开始研究开放系统互连参考模型究开放系统互连参考模型(简称简称OSI)。FF是现场总线基金会（是现场总线基金会（Fieldbus Foundation）的缩写，基金会现场总线同样）的缩写，基金会现场总线同样采用简化的采用简化的ISOOSI参考模型，具有典

26、型的参考模型，具有典型的三层结构，即物理层、数据链路层以及应用层三层结构，即物理层、数据链路层以及应用层(应用层由现场总线访问和现场总线报文规范两应用层由现场总线访问和现场总线报文规范两个子层组成个子层组成)，数据链路层和应用层合在一起统，数据链路层和应用层合在一起统称为通信称为通信“栈栈”。此外，与此外，与ISOOSI参考模型不同的是，参考模型不同的是，FF不仅指定了通信标准，而且还对使用总线不仅指定了通信标准，而且还对使用总线通信的用户应用进行规范，形成独有的用通信的用户应用进行规范，形成独有的用户应用户应用(层层)，简称用户层。图，简称用户层。图3-8所示为基所示为基金会现场总线金会现场

27、总线Hl模型。模型。为了对现场总线通信有一个轮廓的概念，为了对现场总线通信有一个轮廓的概念，在介绍在介绍FF-Hl各层技术之前，先以总线上两各层技术之前，先以总线上两个仪表个仪表(或设备或设备)通信时都做了些什么事情为通信时都做了些什么事情为例，说明现场总线的通信过程。如图例，说明现场总线的通信过程。如图3-9所所示表示了现场总线上两个仪表间的通信过示表示了现场总线上两个仪表间的通信过程。程。现场总线仪表甲按照组态时设定的程序运现场总线仪表甲按照组态时设定的程序运行，当需要通过总线进行信息交换时，命行，当需要通过总线进行信息交换时，命令或数据按应用层规定产生，该信息又按令或数据按应用层规定产生

28、，该信息又按照数据链路层的规定进行照数据链路层的规定进行“包装包装”，经包，经包装后，数据在物理层内进行再次加工后经装后，数据在物理层内进行再次加工后经物理层转换成为符合标准的电信号。在传物理层转换成为符合标准的电信号。在传输介质输介质(总线总线)上为另一现场总线仪表乙接收，上为另一现场总线仪表乙接收，接收仪表对信息进行相反的接收仪表对信息进行相反的“开包开包”，直，直至得到命令或数据。信息在不同层之间的至得到命令或数据。信息在不同层之间的处理称为处理称为“服务服务”，而对信息的处理方法，而对信息的处理方法是按照事先规定的是按照事先规定的“协议协议”进行的，所以进行的，所以互相可以理解。互相可

29、以理解。在现场总线仪表中使用功能块实现一个完整控在现场总线仪表中使用功能块实现一个完整控制回路的例子如图制回路的例子如图3-10所示，它说明了在一个所示，它说明了在一个完整控制回路中信号的传送过程。完整控制回路中信号的传送过程。图图3-11进一步地说明了现场总线控制系统的进一步地说明了现场总线控制系统的工作原理。被控变量由变送器（仪表工作原理。被控变量由变送器（仪表1）的）的传感器测出，经用户层、通信栈和物理层传感器测出，经用户层、通信栈和物理层送到现场总线（物理传输媒体），变送器送到现场总线（物理传输媒体），变送器输出的现场总线信号经现场总线传送到执输出的现场总线信号经现场总线传送到执行器（

30、仪表行器（仪表2）。在执行器中，经物理层、）。在执行器中，经物理层、通信栈到用户层，由用户层输出的信号称通信栈到用户层，由用户层输出的信号称为操纵变量，它控制着控制机构（调节阀）为操纵变量，它控制着控制机构（调节阀）的开度。从图中看到，功能模块装在用户的开度。从图中看到，功能模块装在用户层。层。物理层物理层物理层根据国际电工技术委员会物理层根据国际电工技术委员会(IEC)和国和国际测量与控制学会际测量与控制学会(ISA)批准的标准定义。批准的标准定义。物理层从通信栈接收报文，并将其转换成物理层从通信栈接收报文，并将其转换成现场总线通信介质上传输的物理信号，反现场总线通信介质上传输的物理信号，反

31、之亦然。数字通信以之亦然。数字通信以31.25 kbit/s的速率被的速率被叠加在为仪表供电的同一对导线上。叠加在为仪表供电的同一对导线上。IEC物理层帧物理层帧每个帧有一个前同步信号每个帧有一个前同步信号(p)，在每个报文，在每个报文开始的时候被发送，用于唤醒网络上的其开始的时候被发送，用于唤醒网络上的其他仪表，并且使得它们的接收仪表与发送他仪表，并且使得它们的接收仪表与发送仪表同步。一个起始定界符仪表同步。一个起始定界符(S)标志前同步标志前同步信号的结束和来自或去往数据链路层的实信号的结束和来自或去往数据链路层的实际报文际报文(D)的开始，实际报文之后又有一个的开始，实际报文之后又有一个

32、结束定界符结束定界符(E)，如图，如图3-12所示。所示。IEC编码编码现场总线信号采用熟知的曼彻斯特双相现场总线信号采用熟知的曼彻斯特双相-L技技术进行编码，该信号被称为术进行编码，该信号被称为“同步串行信同步串行信号号”，是因为在串行数据流中包含了时钟，是因为在串行数据流中包含了时钟信息。时钟信号和数据混合在同一信号中。信息。时钟信号和数据混合在同一信号中。因为信号是自时钟的，不需要起始位和停因为信号是自时钟的，不需要起始位和停止位。这使得一个帧可以在一个连续的数止位。这使得一个帧可以在一个连续的数据流中被传送。数据比特据流中被传送。数据比特“0”和和“1”分分别被编码为上升跳变和下降跳变

33、，如图别被编码为上升跳变和下降跳变，如图3-13所示。所示。现场总线信号接收仪表把在现场总线信号接收仪表把在1个比特时间中个比特时间中间的正跳变作为逻辑间的正跳变作为逻辑“0”，负跳变作为逻，负跳变作为逻辑辑“1”。发送时，每个数据比特被转换成。发送时，每个数据比特被转换成相应的跳变，接收时被转换回原来状态的相应的跳变，接收时被转换回原来状态的数据比特。曼彻斯特编码是完全对称的，数据比特。曼彻斯特编码是完全对称的，因此没有增加直流成分。因此没有增加直流成分。转换任务包括加上和除去前同步信号、起始定转换任务包括加上和除去前同步信号、起始定界符和结束定界符。前同步信号、起始定界符界符和结束定界符。

34、前同步信号、起始定界符和结束定界符由特定字符来定义，如图和结束定界符由特定字符来定义，如图3-14所所示。前同步信号被接受仪表用来将其内部时钟示。前同步信号被接受仪表用来将其内部时钟与输入的现场总线信号同步。起始定界符、结与输入的现场总线信号同步。起始定界符、结束定界符含有非二进制数字束定界符含有非二进制数字N+和和N-：N+的波的波形是在整个比特时间内都维持高电平，它的脉形是在整个比特时间内都维持高电平，它的脉冲前后沿是在比特时间的边界上；冲前后沿是在比特时间的边界上；N-的波形与的波形与N+相反，在整个比特时间内都维持低电平。注相反，在整个比特时间内都维持低电平。注意意N+和和N-在在1比

35、特时间中间不跳变，接收仪表比特时间中间不跳变，接收仪表用起始定界符找到现场总线报文的开始部分，用起始定界符找到现场总线报文的开始部分，在找到起始定界符后，接收仪表接收数据直至在找到起始定界符后，接收仪表接收数据直至收到结束定界符为止。收到结束定界符为止。IEC信号的发送与接收信号的发送与接收现场总线信号的发送与接收如图现场总线信号的发送与接收如图3-15所示。所示。发送仪表以发送仪表以31.25kbit/s速率将速率将1520mA峰峰-峰值的电流信号（曼彻斯特波形）通过导峰值的电流信号（曼彻斯特波形）通过导线介质传送给一个线介质传送给一个50欧姆的等效负载，产欧姆的等效负载，产生一个调制在直流

36、生一个调制在直流(DC)电源电压上的电源电压上的0.751V峰峰-峰值的电压信号。直流电源电压范峰值的电压信号。直流电源电压范围为围为932V。然而对于本质安全应用场合，。然而对于本质安全应用场合，允许的电源电压应由安全栅额定值给定。允许的电源电压应由安全栅额定值给定。网络上在电源和仪表之间必须有一个电源阻抗网络上在电源和仪表之间必须有一个电源阻抗器，它防止直流电源将交流通信信号短路。作器，它防止直流电源将交流通信信号短路。作为通信信号的一个阻抗，在网络的每个端点上为通信信号的一个阻抗，在网络的每个端点上还有一个还有一个100的终端器作为通信信号的负载电的终端器作为通信信号的负载电阻。并联的负

37、载电阻使得阻抗为阻。并联的负载电阻使得阻抗为50，并且使，并且使得发送仪表的曼彻斯特电流得发送仪表的曼彻斯特电流(1520mA峰峰-峰电峰电流流)在经过它的时候产生一个在经过它的时候产生一个0.751V交流压降。交流压降。所有网络上的仪表拾取该信号，并且即使在有所有网络上的仪表拾取该信号，并且即使在有信号衰减的情况下也有足够的敏感度来接收。信号衰减的情况下也有足够的敏感度来接收。换句话说，发送是通过电流完成的，接收是通换句话说，发送是通过电流完成的，接收是通过电压来完成的。与此同时，终端器还防止信过电压来完成的。与此同时，终端器还防止信号通过网络传输到达导线端点时产生的反射。号通过网络传输到达

38、导线端点时产生的反射。现场总线网络的交流现场总线网络的交流(AC)、直流、直流(DC)等效电路等效电路如图如图3-16所示。图中：所示。图中：TX-I作为发送电流仪表；作为发送电流仪表；RX-V作为接收电压仪表；作为接收电压仪表；AC为交流；为交流；DC为直为直流；流；V为电源。一台现场总线仪表既可以作为发为电源。一台现场总线仪表既可以作为发送电流仪表。也可以作为接收电压仪表，但不送电流仪表。也可以作为接收电压仪表，但不能同时具有这两个功能。能同时具有这两个功能。现场总线实际信号的曼彻斯特波形是梯形现场总线实际信号的曼彻斯特波形是梯形波，采用梯形波的目的是使其接近正弦波波，采用梯形波的目的是使

39、其接近正弦波形，目的是为了避免由矩形波产生的谐波形，目的是为了避免由矩形波产生的谐波频率信号所造成的电磁干扰。当采用多芯频率信号所造成的电磁干扰。当采用多芯电缆时，这种噪声可能会造成交叉干扰。电缆时，这种噪声可能会造成交叉干扰。由于篇幅所限，有关由于篇幅所限，有关FFH1的链路层、应的链路层、应用层和用户层的介绍，请参考文献用层和用户层的介绍，请参考文献2三、三、PROFIBUS PA通信标准通信标准PROFIBUS PA 是是PROFIBUS 应用于过程应用于过程控制的方案。控制的方案。PROFIBUS PA 用于过程控用于过程控制系统与现场仪表（设备）连接，现场仪制系统与现场仪表（设备）连

40、接，现场仪表指的就是压力、温度、流量、液位变送表指的就是压力、温度、流量、液位变送器和执行器。器和执行器。PROFIBUS PA 可以用来取可以用来取代模拟的代模拟的420mA。PROFIBUS PA 可以可以在设计、布线、调试和维护上节省在设计、布线、调试和维护上节省40%的的成本，同时增加了很多功能和安全性。图成本，同时增加了很多功能和安全性。图3-17显示了传统的显示了传统的420mA 系统和系统和PROFIBUS PA 系统在连线方面的不同。系统在连线方面的不同。从现场设备到现场多路开关基本一致。然而，如从现场设备到现场多路开关基本一致。然而，如果测量点分布很广，果测量点分布很广，PR

41、OFIBUS PA 所需电缆明所需电缆明显减少。使用传统布线方法，每一个信号都需要显减少。使用传统布线方法，每一个信号都需要独立引线接至过程控制系统的独立引线接至过程控制系统的I/O 模板。模板。每个设备都需单独电源（甚至需要在有爆炸危险每个设备都需单独电源（甚至需要在有爆炸危险区域使用的电源）。相反，使用区域使用的电源）。相反，使用PROFIBUS PA 只使用一对电缆就可以传输所有信息并向现场设只使用一对电缆就可以传输所有信息并向现场设备供电。这不仅节省了电缆费用，同时减少了系备供电。这不仅节省了电缆费用，同时减少了系统所需统所需I/O 模板数量。模板数量。PROFIBUS PA 可以使用

42、可以使用简单的一对电缆进行测量、控制和调节，并可以简单的一对电缆进行测量、控制和调节，并可以向现场仪表供电。向现场仪表供电。PROFIBUS PA的物理层与的物理层与FFH1物理层完全相物理层完全相同，这里不再重述。同，这里不再重述。“Burst”（猝发式）猝发式）是可选的通信是可选的通信模式，模式，(图图5)允许单一的从站连续的允许单一的从站连续的广播一个标准的广播一个标准的HART响应信息。响应信息。这种模式将主站从为得到更新的过这种模式将主站从为得到更新的过程变量信息而不断对从站发送命令程变量信息而不断对从站发送命令请求的重复中解放出来。请求的重复中解放出来。.同样的同样的HART 响应

43、信息响应信息(PV或其他或其他)连连续的由从站广播，直到主站指示其他命续的由从站广播，直到主站指示其他命令。采用令。采用“burst”通信方式，依选择通信方式，依选择的命令不同，数据更新为每秒的命令不同，数据更新为每秒3-4 次。次。Burst 模式只能使用在单个从设备的网模式只能使用在单个从设备的网络中。络中。HART协议也支持在一个配置为多协议也支持在一个配置为多挂接的网络中在一条线对上连接多挂接的网络中在一条线对上连接多个设备，如图个设备，如图6。在多挂接应用中，。在多挂接应用中，通讯限定于数字主通讯限定于数字主/从方式。流经每从方式。流经每一个从设备的电流固定在一个用于一个从设备的电流

44、固定在一个用于驱动该设备的最小值驱动该设备的最小值(通常为通常为4mA)，而与过程毫无关系而与过程毫无关系观察安装可知，与连接传统观察安装可知，与连接传统4-20mA 模拟仪表一样的电缆用来载送模拟仪表一样的电缆用来载送HART 通讯信号。所允许的电缆长通讯信号。所允许的电缆长度依电缆类型和连接的设备数目而度依电缆类型和连接的设备数目而不同，通常单芯带屏蔽双绞电缆长不同，通常单芯带屏蔽双绞电缆长度可达度可达3,000 米，多芯带屏蔽双绞电米，多芯带屏蔽双绞电缆可达缆可达1,500 米。更短的距离可使用米。更短的距离可使用非屏蔽电缆。可通过非屏蔽电缆。可通过HART 信号的信号的本质安全栅本质安

45、全栅/隔离器可以应用在危险隔离器可以应用在危险场合。场合。强大的命令集强大的命令集HART 通信基于命令，也就是说主站发布通信基于命令，也就是说主站发布命令，从站作出响应。对命令，从站作出响应。对HART兼容的现兼容的现场仪表，三种类型的命令提供读场仪表，三种类型的命令提供读/写等信写等信息访问功能息访问功能(见图见图7)。通用和普通操作命。通用和普通操作命令在令在HART 协议规范中定义。第三类，设协议规范中定义。第三类，设备特殊命令，则对设备中的专门参数或特备特殊命令，则对设备中的专门参数或特定设备的唯一功能进行自由定义。定设备的唯一功能进行自由定义。通用命令确保在大量并不断增长的来通用命

46、令确保在大量并不断增长的来自不同供应商的设备间可互操作，并自不同供应商的设备间可互操作，并在日常工厂操作中访问数据，即读取在日常工厂操作中访问数据，即读取过程测量值过程测量值/变量，上限、下限范围，变量，上限、下限范围，和其他一些信息，诸如生产厂家、型和其他一些信息，诸如生产厂家、型号、位号及描述等。号、位号及描述等。HART 协议的一协议的一个基本规则是个基本规则是HART 兼容的从站设备兼容的从站设备必须响应所有通用命令。这些命令功必须响应所有通用命令。这些命令功能强大，例如通用命令允许在一个命能强大，例如通用命令允许在一个命令响应中多达令响应中多达4个动态参数被读取。个动态参数被读取。普

47、通操作命令访问那些大多数但并非普通操作命令访问那些大多数但并非全部设备所具有的功能。这些命令可全部设备所具有的功能。这些命令可选，但如果实现，必须被特殊说明。选，但如果实现，必须被特殊说明。设备特殊命令允许访问设备独有特点，设备特殊命令允许访问设备独有特点，大多数用于设备参数组态。这些命令大多数用于设备参数组态。这些命令可以对设备发送一套新的可以对设备发送一套新的PID算法参算法参数。数。在每一个在每一个HART命令响应中包含设备命令响应中包含设备状态信息，对关键回路提供增强的系状态信息，对关键回路提供增强的系统完整性。每个响应中的状态位指出统完整性。每个响应中的状态位指出设备失效或其他问题，

48、例如模拟输出设备失效或其他问题，例如模拟输出饱和、变量超限或通信错误等。一些饱和、变量超限或通信错误等。一些HART 兼容设备可以连续检查设备状兼容设备可以连续检查设备状态位，在发现问题时，发出警报或停态位，在发现问题时，发出警报或停车。车。DeviceDescriptionLanguage设备描述设备描述语言语言设备描述语言设备描述语言(DDL)，在通用和普通操在通用和普通操作命令的基础上，扩展了可互操作性。作命令的基础上，扩展了可互操作性。现场设备现场设备(从站从站)生产商使用生产商使用DDL 建立建立相关设备特性的软件，因而有识别相关设备特性的软件，因而有识别DDL能力的主站可以完全访问

49、该设备。能力的主站可以完全访问该设备。设备描述类似个人电脑的打印机驱动设备描述类似个人电脑的打印机驱动程序，该软件将打印机与应用程序连程序，该软件将打印机与应用程序连接起来，从而正确的进行打印。接起来，从而正确的进行打印。通用手持终端编程器使用几个生产商提供的通用手持终端编程器使用几个生产商提供的DDL可以可以对任何基于对任何基于HART的仪表进行组态。其他兼容的仪表进行组态。其他兼容DDL的主站也开始推出。一个针对所有的主站也开始推出。一个针对所有HART兼容设备设兼容设备设备描述的中央数据库由备描述的中央数据库由HART通信基金会管理。通信基金会管理。创新的应用事例创新的应用事例 图图8

50、中示意的控制系统足以证明中示意的控制系统足以证明 HART 协议的强协议的强大功能。该应用中采用了大功能。该应用中采用了HART 的本质特征，即在同的本质特征，即在同一线对上同时传输一线对上同时传输420mA 和数字信号进行通信，极和数字信号进行通信，极具创新。具创新。在此应用中，在此应用中，HART兼容的变送器内置兼容的变送器内置PID控制控制功能。经组态，设备输出的功能。经组态，设备输出的420mA回路电流正回路电流正比于设备中比于设备中PID算法的输出算法的输出(而非绝大多数变送而非绝大多数变送器那样正比于测量值）。既然器那样正比于测量值）。既然420mA回路电流回路电流由由PID控制输