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.中國石油吉林石化公司 化肥廠，吉林 吉林132021;3.吉林中國石油天然氣集團公司染料廠，吉林吉林132021)

HART(Highway Addressable Remote Transducer)協(xié)議，是一項4～20mA信號與數(shù)字通信技術(shù)兼容的過渡性標準，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，使它成為全球應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場通信協(xié)議［1］.

目前國內(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)場儀表，但是不同廠家各自采用自己開發(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機上開發(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.本文主要通過對HART命令的解析來闡述HART組態(tài)軟件的工作原理，以及依據(jù)HART協(xié)議，利用C#高級語言編寫一種支持HART協(xié)議的通用組態(tài)軟件，實現(xiàn)HART命令對現(xiàn)場智能設(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USB-HART轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場智能儀表連接，當HART儀表組態(tài)軟件發(fā)送命令至現(xiàn)場設(shè)備時，現(xiàn)場智能儀表會立即回應(yīng)主機，根據(jù)其應(yīng)答的數(shù)據(jù)信息可以得到當前儀表的工作狀態(tài)以及儀表本身存儲的各種信息.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，實體間的數(shù)據(jù)傳輸是以幀的形式實現(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)長度域、數(shù)據(jù)域、狀態(tài)域以及校驗位組成［4-5］.具體如表1 ～2 所示.

表1 請求幀

表2 響應(yīng)幀

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

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

(3)地址域包含了主機地址和從機地址，短結(jié)構(gòu)中占1字節(jié)，長結(jié)構(gòu)中占5字節(jié).無論長結(jié)構(gòu)還是短結(jié)構(gòu)，HART協(xié)議中允許2個主機存在，用首字節(jié)的最高位來進行區(qū)分，值為1表示第一主機地址，第二主機用0表示.短結(jié)構(gòu)用首字節(jié)的0～4位表示值為0～15的從機地址，第5、6位賦0;而長結(jié)構(gòu)用后6位表示從機的生產(chǎn)廠商的代碼，第2個字節(jié)表示從機設(shè)備型號代碼，后3～5個字節(jié)表示從機的設(shè)備序列號，構(gòu)成“唯一”標志碼;

(4)命令域的范圍為253個，用HEX的0～FD表示;

(5)字節(jié)長度域的值表示自下一個字節(jié)到最后字節(jié)(不包括校驗字節(jié))的字節(jié)數(shù);

(6)響應(yīng)碼只存在于從機響應(yīng)主機消息的時候，用2個字節(jié)表示.它將報告通訊中的錯誤、接收命令的狀態(tài)(如:設(shè)備忙、無法識別命令等)和從機的操作狀態(tài);

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

(8)校驗方式采用縱向奇偶校驗，從起始字節(jié)開始到奇偶校驗前一個字節(jié)為止.

通過對HART協(xié)議的請求幀和響應(yīng)幀的結(jié)構(gòu)分析，得出正式進行儀表通訊之前需進行儀表測試，來確定制造商的設(shè)備類型、廠商的代碼、設(shè)備的版本號及標識.

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖包括用戶注冊模塊、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

用戶注冊模塊:只有注冊用戶才能正常使用該軟件;

發(fā)送HART命令:串口打開后，用戶可通過發(fā)送HART命令與智能儀表進行通訊，獲取或設(shè)置現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài);

接收數(shù)據(jù)顯示:把接收來的字節(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)碼所對應(yīng)的通訊信息，只有響應(yīng)碼首字節(jié)為零時才說明通訊正常，其它情況都表示通訊沒有正確執(zhí)行，根據(jù)響應(yīng)碼的數(shù)值顯示相應(yīng)的出錯信息，有助于維護設(shè)備正常的運行;

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

2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計

本組態(tài)軟件系統(tǒng)在經(jīng)過設(shè)備測試后確定現(xiàn)場智能儀表的地址域，并且等待主機發(fā)送HART命令，當獲取具體的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，這里不做說明.

圖4 主操作界面

3.2 C#串口驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

組態(tài)軟件主界面上的每一個按鈕對應(yīng)一個特定的HART發(fā)送命令，每個命令的發(fā)送字節(jié)數(shù)與接收字節(jié)數(shù)都不一樣，發(fā)送前必須實現(xiàn)串口連接，本軟件通過創(chuàng)建SerialPort對象來實現(xiàn)串口通信的全過程.

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，如果沒有，會返回NULL;

WriteLine(char

buffer，int offset，int count):寫入輸出緩沖;

Open():打開一個新的串口連接;

Close():關(guān)閉.

具體實現(xiàn)過程如下:

(1)添加引用

using System.IO.Ports;//串口類

(2)定義SerialPort類實例

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

(3)超時設(shè)置

SpCom.WriteTimeout=2000;//寫入超時

SpCom.ReadTimeout=2000;//讀取超時

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

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

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

SpCom.Parity = System.IO.Ports.Parity.Odd;//奇偶校驗位，這里是奇校驗

SpCom.DataBits=8;//8個數(shù)據(jù)位

SpCom.StopBits=System.IO.Ports.StopBits.One;//一個停止位

SpCom.ParityReplace=0;//當發(fā)生奇偶校驗錯誤時，設(shè)置并返回替換數(shù)據(jù)流中一個非法字符的字符.

(5)打開串口

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)先準備好的輸液架上,在不影響手術(shù)操作以及不違反無菌原則的情況下對患者進行被動活動。由遠心端向近心端按摩患者小腿部肌肉,每小時按摩一次,每次5-10分鐘,直至手術(shù)結(jié)束。

(7)添加接受事件

在運行時將事件與事件處理程序相關(guān)聯(lián)(通過委托實現(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)四個字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)化單精度浮點數(shù)

byte

word=new byte［4］;

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

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

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

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

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

//將四個字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)化成單精度浮點數(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到開始的24個字節(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值

order.data= System.BitConverter.GetBytes(da);//將浮點數(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，它通過去掉每個ASCII字符的高2位而產(chǎn)生.這就允許4個壓縮的ASCII字符占用3個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)送前都要進入該程序，用以確定要發(fā)送的字節(jié)數(shù)組，然后再通過 Serialport類的Write屬性將字節(jié)發(fā)送給智能設(shè)備.該命令有兩個參數(shù):儀表檢測時得到的設(shè)備定界符(是長幀還是短幀)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)［2-3］.

為了方便讀者，這里沒有給出程序框圖，而是直接給出了實現(xiàn)代碼.

具體代碼實現(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，實現(xiàn)了PC機與各類支持HART協(xié)議的現(xiàn)場智能設(shè)備的遠程通訊.具有操作界面友好、狀態(tài)顯示清晰、操作方便、價格低廉等優(yōu)點，并且本軟件增加了自編命令用來支持某些具有特殊命令的HART儀表，提高了軟件的通用性.

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