1、儀表通訊協(xié)議分類及其特點,學(xué)習(xí)課件 主講人：東油,什么是通訊協(xié)議,通訊協(xié)議又稱通信規(guī)程，是指通訊雙方對數(shù)據(jù)傳送控制的一種約定。約定中包括對數(shù)據(jù)格式，同步方式，傳送速度，傳送步驟，檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定，通信雙方必須共同遵守，它也叫做鏈路控制規(guī)程。,通訊協(xié)議分類,常用的儀表通訊協(xié)議有： modbus通訊協(xié)議 RS-232通訊協(xié)議 RS-485通訊協(xié)議 HART通訊協(xié)議。,第一講,Modbus協(xié)議,Modbus協(xié)議,Modbus協(xié)議最初由Modicon公司開發(fā)出來，在1979年末該公司成為施耐德自動化部門的一部分，現(xiàn)在Modbus已經(jīng)是工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議。此協(xié)議支持傳統(tǒng)

2、的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備。 由于modbus協(xié)議是完全公開透明的，所需的軟硬件又非常簡單，這就使它成為了一種通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。許多工業(yè)設(shè)備，包括PLC，DCS，智能儀表等都在使用Modbus協(xié)議作為他們之間的通訊標(biāo)準(zhǔn)。有了它，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進行集中監(jiān)控。,Modbus通訊協(xié)議,特點 Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議,控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。此協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。,modbus通訊方式

3、,modbus通訊協(xié)議是一種主從式異步半雙工通信協(xié)議，采用主從式通訊結(jié)構(gòu)，可以使一個主站對應(yīng)多個從站進行雙向通信。它描述了一控制器請求訪問其它設(shè)備的過程,如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請求,以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。,Modbus協(xié)議,Modbus協(xié)議包括ASCII、RTU等通訊方式，并沒有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識和使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。標(biāo)準(zhǔn)的Modicon控制器使用RS232C實現(xiàn)串行的Modbus。Modbus的ASCII、RTU協(xié)議規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和就答的方式，數(shù)據(jù)通訊采用主-從方式，主站發(fā)出數(shù)據(jù)請求消息，

4、從站接收到正確消息后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主站以響應(yīng)請求；主站也可以直接發(fā)消息修改從站的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙向讀寫。,主/從原理,Modbus協(xié)議,當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時,此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址,識別按地址發(fā)來的消息,決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應(yīng),控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上,包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。,Modbus協(xié)議,當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)上通信時，Modbus協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需

5、要回應(yīng)，控制器將生成應(yīng)答并使用Modbus協(xié)議發(fā)送給詢問方。,Modbus協(xié)議,Modbus協(xié)議需要對數(shù)據(jù)進行校驗，串行協(xié)議中除有奇偶校驗外，ASCII模式采用LRC校驗，RTU模式采用16位CRC校驗。另外，Modbus采用主從方式定時收發(fā)數(shù)據(jù)，在實際使用中如果某從站點斷開后（如故障或關(guān)機），主端可以診斷出來，而當(dāng)故障修復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)又可自動接通。因此，Modbus協(xié)議的可靠性較好。,Modbus與OSI參考模型,Modbus之ASCII通訊方式,地址碼：從站的地址（8位） 功能碼：主站發(fā)送，告訴從站執(zhí)行功能（8位） 數(shù)據(jù)區(qū)：具體數(shù)據(jù)內(nèi)容（N*8位） 校驗碼：LRC校驗（8位） 起始位：用“：”

6、號，（3AH）（ASCII為58） 停止位：用“CR”（0DH），“LF”（0AH） 數(shù)據(jù)位內(nèi)容由程序編寫，所有信息通訊均用ASCII碼形式發(fā)送和接收。,起始位,地址碼,功能碼,數(shù)據(jù)區(qū),校驗碼,停止位,數(shù)據(jù)幀,數(shù)據(jù)幀,廣播模式（只用于寫操作）,非廣播模式,Modbus之RTU通訊方式,地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)與ASCII通訊相同。 校驗碼：CRC校驗（16位） 起始位：無字符，保持無信號時間大于10ms 。 停止位：無字符，保持無信號時間大于10ms 。 數(shù)據(jù)內(nèi)容由通訊程序編寫，所有的信息均用十六進制形式發(fā)送和接收。,起始位,地址碼,功能碼,數(shù)據(jù)區(qū),校驗碼,停止位,第二講,RS-232通訊協(xié)議,

7、RS-232通訊協(xié)議,RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識號通常。RS-232 接口以9個引腳 (DB-9) 或是25個引腳 (DB-25) 的型態(tài)出現(xiàn)，一般個人計算機上會有兩組RS-232 接口，分別稱為 COM1 和 COM2 。,RS-232接口,RS-232通訊協(xié)議,RS-232標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號線和9條信號線兩種，包括一個主通道和一個輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。,

8、RS-232通訊協(xié)議,傳輸速率 RS-232標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特率。,RS-232通訊協(xié)議,遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端 RS-232標(biāo)準(zhǔn)最初是遠(yuǎn)程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）而制定的。因此這個標(biāo)準(zhǔn)的制定，并未考慮計算機系統(tǒng)的應(yīng)用要求。但目前它又廣泛地被借來用于計算機（更準(zhǔn)確的說，是計算機接口）與終端或外設(shè)之間的近端連接標(biāo)準(zhǔn)。顯然，這個標(biāo)準(zhǔn)的有些規(guī)定及和計算機系統(tǒng)是不一致的，甚至是相矛盾的。有了對這種背景的了解，我們對RS-232C標(biāo)準(zhǔn)與計算機不兼容的地方就不難理解了。,RS-

9、232通訊協(xié)議,“發(fā)送”和“接收” RS-232標(biāo)準(zhǔn)中所提到的“發(fā)送”和“接收”，都是站在DTE立場上，而不是站在DCE的立場來定義的。由于在計算機系統(tǒng)中，往往是CPU和I/O設(shè)備之間傳送信息，兩者都是DTE，因此雙方都能發(fā)送和接收。,RS-232通訊協(xié)議,電氣特性 EIA-RS-232 對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。 在TxD和RxD上： 邏輯1(MARK)=-3V-15V 邏輯0(SPACE)=+3+15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上： 信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）+3V+15V 信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)=-3V-15V,RS-2

10、32通訊協(xié)議,RS-232接口定義（9芯）,RS-232通訊協(xié)議,RS-232接口定義(25芯) 1 頻蔽地線 2 發(fā)送數(shù)據(jù) TXD 3 接收數(shù)據(jù) RXD 4 請求發(fā)送RTS 5 允許發(fā)送 CTS 6 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好 DSR 7 信號地 SG 8 載波檢測 DCD 9 發(fā)送返回(+) 10 未定義 11 數(shù)據(jù)發(fā)送(-) 1217 未定義 18 數(shù)據(jù)接收(+) 19 未定義 20 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好 DTR 21 未定義 22 振鈴 RI 2324 未定義 25 接收返回(-),RS-232通訊協(xié)議,RS-232串口通信接線方法（三線制） 串口傳輸數(shù)據(jù)只要有接收數(shù)據(jù)針腳和發(fā)送針腳就能實現(xiàn)：同一個串口的接

11、收腳和發(fā)送腳直接用線相連，兩個串口相連或一個串口和多個串口相連。接收數(shù)據(jù)針腳（或線）與發(fā)送數(shù)據(jù)針腳（或線）相連，彼此交叉，信號地對應(yīng)相接 。 9針D型串口：2“RXD”，3“TXD”，5“邏輯地”。,25針串口通信接線方法,RS-232通訊協(xié)議,RS-232缺點 （1）接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與TTL電平不兼容故需使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。 （2）傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率20Kbps。 （3）接口使用一根信號線和一根信號返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。 （4）傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺

12、（實際15米）。,第三講,RS-485通訊協(xié)議,RS-485通訊協(xié)議,誕生 RS-485標(biāo)準(zhǔn)是在RS232的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。,RS-485通訊協(xié)議,RS-485的電氣特性 邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（26）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（26）V表示。接口信號電平比RS-232降低了，就不易損壞接口電路的芯片， 且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL 電路連接。,RS-485通訊協(xié)議,傳播速率 RS-485的數(shù)據(jù)最高傳

13、輸速率為10Mbps RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。 波特率 1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、125K,RS-485通訊協(xié)議,通信接口方式 RS485接口：異步，半雙工,串行 數(shù)據(jù)格式 1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗 1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、奇校驗 1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、偶校驗 當(dāng)與現(xiàn)場總線適配器PROFIBUS連接時采用默認(rèn)數(shù)據(jù)格式：見上黑粗體,RS-485通訊協(xié)議,RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實際上可達

14、 3000米(理論上的數(shù)據(jù)，在實際操作中，極限距離僅達1200米左右），另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。,RS-485接口定義,9針型接口 RS485接口 信號含義 3 RXD- 接收數(shù)據(jù) 4 RXD+ 接收數(shù)據(jù) 5 TXD+ 發(fā)送數(shù)據(jù) 7 TXD- 發(fā)送數(shù)據(jù),缺點,很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下

15、了很大的隱患共模干擾問題：RS-485接口采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統(tǒng)只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發(fā)器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發(fā)器共模電壓范圍為-7+12V，只有滿足上述條件，整個網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩(wěn)定可靠，甚至損壞接口。,第四講,HART協(xié)議,HART協(xié)議,HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，是美國ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議

16、。 HART裝置提供具有相對低的帶寬，適度響應(yīng)時間的通信，經(jīng)過10多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。,HART協(xié)議,HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。在HART協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送，在需要的情況下，另外的測量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。,協(xié)議基本情況,420mA模擬信號

17、+數(shù)字控制信號（FSK技術(shù)） 支持雙絞線全數(shù)字通信，可構(gòu)成15個站網(wǎng)絡(luò) 支持OSI開放體系結(jié)構(gòu)，1、2、7、層,通信模型,Hart命令 無定儀 數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)范 BELL 202,物理層,基于Bell 202 通信標(biāo)準(zhǔn)的FSK 技術(shù)，基本內(nèi)容： 波特率 1200bps （速度較慢） 邏輯1 1200HZ 邏輯0 2400HZ,數(shù)據(jù)鏈路層,通信方式： 1）主從式通信 由主設(shè)備來控制數(shù)據(jù)幀的傳送 最多允許15個從設(shè)備連接到一條多點通訊線上 2）突發(fā)模式 從設(shè)備定時重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀 3）半雙工通訊方式 尋址范圍：0 15 當(dāng)?shù)刂窞?時，處于420mADC與數(shù)字通信兼容狀態(tài)。 當(dāng)?shù)刂窞?15時，則處于全數(shù)

18、字通信狀態(tài)。,數(shù)據(jù)鏈路層,規(guī)定通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，每個字符由11位組成： 1bit起始位 + 8bit數(shù)據(jù) + 1bit奇偶校驗位 + 1bit停止位,最多 25 字節(jié),應(yīng)用層,通用命令 對所有符合HART協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備都適用的命令。包括以下內(nèi)容： 讀變送器的量程、單位以及阻尼時間常數(shù)； 讀出傳感器串聯(lián)數(shù)目及其線制； 讀出制造廠及產(chǎn)品型號； 讀出主變量及單位； 讀出電流的輸出及百分比輸出； 讀寫8個字符的標(biāo)牌號，16個字符的描述內(nèi)容以及日期等；,應(yīng)用層,通用命令 適用于大部分符合HART協(xié)議的產(chǎn)品，但不同公司的HART產(chǎn)品可能會有少量區(qū)別，如寫主變量單位，微調(diào)DA的零點和增益等： 寫入阻尼時間常數(shù)； 寫入變送器量程； 標(biāo)定（設(shè)置零點和量程）； 微調(diào)主變量零點； 微調(diào)DAC的零點和增益； 完成自檢及主機復(fù)位；,應(yīng)用層,特殊命令： 僅適用于某種具體的現(xiàn)場設(shè)備。這是各家公司的產(chǎn)品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微調(diào)傳感頭校正等。 ： 讀出或?qū)懭腴_方小流量截斷值； 啟動、停止或清除累積器； 選擇主變量（質(zhì)量流量或密度）； 讀出或?qū)懭虢M態(tài)信息資料； 微調(diào)傳感器的標(biāo)定；,HART通訊模式,第一種“問答式”：2次/秒，適用于