每個(gè)儀表都有自己獨(dú)特的通訊協(xié)議,常見(jiàn)的有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)議等等,那么這些通訊協(xié)議究竟是怎么工作的,有哪些優(yōu)缺點(diǎn)呢?本文將重點(diǎn)介紹目前常見(jiàn)的幾種通訊協(xié)議!
通訊協(xié)議:又稱(chēng)通信規(guī)程,是指通訊雙方對(duì)數(shù)據(jù)傳送控制的一種約定。約定中包括對(duì)數(shù)據(jù)格式,同步方式,傳送速度,傳送步驟,檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問(wèn)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。
常用的儀表通訊協(xié)議:
· 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。
· MPI通信
· 串口通信
· PROFIBUS通信
· ASI通信
· PPI通信
· 遠(yuǎn)程無(wú)線通信
· TCP
· UDP
· S7
· profibus
· pofinet
· MPI
· PPI
· Profibus-DP
· Devicenet
· Ethernet
Modbus通訊協(xié)議1
Modbus協(xié)議最初由Modicon公司開(kāi)發(fā)出來(lái),在1979年末該公司成為施耐德自動(dòng)化部門(mén)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)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(kāi)透明的,所需的軟硬件又非常簡(jiǎn)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(jìn)行集中監(jiān)控。
特點(diǎn)
Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)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(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。
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(gè)主站對(duì)應(yīng)多個(gè)從站進(jìn)行雙向通信。它描述了一控制器請(qǐng)求訪問(wèn)其它設(shè)備的過(guò)程,如何回應(yīng)來(lái)自其它設(shè)備的請(qǐng)求,以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)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)議包括ASCII、RTU等通訊方式,并沒(méi)有規(guī)定物理層。此協(xié)議定義了控制器能夠認(rèn)識(shí)和使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。標(biāo)準(zhǔn)的Modicon控制器使用RS232C實(shí)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(qǐng)求消息,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(qǐng)求;主站也可以直接發(fā)消息修改從站的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)雙向讀寫(xiě)。
主/從原理
當(dāng)在一Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí),此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址,識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息,決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。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(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。
當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí),Modbus協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址,識(shí)別按地址發(fā)來(lái)的消息,決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng),控制器將生成應(yīng)答并使用Modbus協(xié)議發(fā)送給詢(xún)問(wèn)方。
Modbus協(xié)議需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),串行協(xié)議中除有奇偶校驗(yàn)外,ASCII模式采用LRC校驗(yàn),RTU模式采用16位CRC校驗(yàn)。另外,Modbus采用主從方式定時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù),在實(shí)際使用中如果某從站點(diǎn)斷開(kāi)后(如故障或關(guān)機(jī)),主端可以診斷出來(lái),而當(dāng)故障修復(fù)后,網(wǎng)絡(luò)又可自動(dòng)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
數(shù)據(jù)幀
廣播模式(只用于寫(xiě)操作)
非廣播模式
Modbus之RTU通訊方式
RS-232通訊協(xié)議2
RS-232是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA(ElectronicIndustry 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(xiě),232為標(biāo)識(shí)號(hào)通常。RS-232 接口以9個(gè)引腳 (DB-9) 或是25個(gè)引腳(DB-25) 的型態(tài)出現(xiàn),一般個(gè)人計(jì)算機(jī)上會(huì)有兩組RS-232 接口,分別稱(chēng)為 COM1 和 COM2 。
RS-232接口
RS-232標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線和9條信號(hào)線兩種,包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道,對(duì)于一般雙工通信,僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn),如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。
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。
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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定,并未考慮計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用要求。但目前它又廣泛地被借來(lái)用于計(jì)算機(jī)(更準(zhǔn)確的說(shuō),是計(jì)算機(jī)接口)與終端或外設(shè)之間的近端連接標(biāo)準(zhǔn)。顯然,這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的有些規(guī)定及和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是不一致的,甚至是相矛盾的。有了對(duì)這種背景的了解,我們對(duì)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算機(jī)不兼容的地方就不難理解了。
“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(chǎng)上,而不是站在DCE的立場(chǎng)來(lái)定義的。由于在計(jì)算機(jī)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。
電氣特性
EIA-RS-232 對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)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(hào)有效(接通,ON狀態(tài),正電壓)=+3V~+15V
信號(hào)無(wú)效(斷開(kāi),OFF狀態(tài),負(fù)電壓)=-3V~-15V
RS-232接口定義(9芯)
?
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(qǐng)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(hào)地 SG
8 載波檢測(cè) DCD
9 發(fā)送返回(+)
10 未定義
11 數(shù)據(jù)發(fā)送(-)
12~17 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
23~24 未定義
25 接收返回(-)
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(shí)現(xiàn):同一個(gè)串口的接收腳和發(fā)送腳直接用線相連,兩個(gè)串口相連或一個(gè)串口和多個(gè)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(hào)地對(duì)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缺點(diǎn) :
?。?)接口的信號(hào)電平值較高,易損壞接口電路的芯片,又因?yàn)榕cTTL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(shí),波特率≤20Kbps。
(3)接口使用一根信號(hào)線和一根信號(hào)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。
?。?)傳輸距離有限,最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺(實(shí)際≤15米)。
RS-485通訊協(xié)議3
RS-485標(biāo)準(zhǔn)是在RS232的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的,增加了多點(diǎn)、雙向通信能力,即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上,同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性,擴(kuò)展了總線共模范圍,后命名為TIA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。
RS-485的電氣特性:
邏輯“1”以?xún)删€間的電壓差為+(2—6)V表示;邏輯“0”以?xún)删€間的電壓差為-(2—6)V表示。接口信號(hào)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。
傳播速率:
RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps
RS-485接口:
是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合,抗共模干擾能力增強(qiáng),即抗噪聲干擾性好。
波特率:
1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、125K
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(wú)校驗(yàn)
1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、奇校驗(yàn)
1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、偶校驗(yàn)
當(dāng)與現(xiàn)場(chǎng)總線適配器PROFIBUS連接時(shí)采用默認(rèn)數(shù)據(jù)格式。
RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺,實(shí)際上可達(dá) 3000米(理論上的數(shù)據(jù),在實(shí)際操作中,極限距離僅達(dá)1200米左右),另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個(gè)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(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力,這樣用戶(hù)可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。
9針型接口:
RS485接口 信號(hào)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(diǎn):
很多情況下,連接RS-485通信鏈路時(shí)只是簡(jiǎn)單地用一對(duì)雙絞線將各個(gè)接口的“A”、“B”端連接起來(lái)。而忽略了信號(hào)地的連接,這種連接方法在許多場(chǎng)合是能正常工作的,但卻埋下了很大的隱患共模干擾問(wèn)題:RS-485接口采用差分方式傳輸信號(hào)方式,并不需要相對(duì)于某個(gè)參照點(diǎn)來(lái)檢測(cè)信號(hào),系統(tǒng)只需檢測(cè)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(mǎn)足上述條件,整個(gè)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(shí)就會(huì)影響通信的穩(wěn)定可靠,甚至損壞接口。
HART協(xié)議4
HART(HighwayAddressable Remote Transducer),可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議,是美國(guó)ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。 HART裝置提供具有相對(duì)低的帶寬,適度響應(yīng)時(shí)間的通信,經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展,HART技術(shù)在國(guó)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)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào),在低頻的4-20mA模擬信號(hào)上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通訊,數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps。由于FSK信號(hào)的平均值為0,不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號(hào)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(cè)量、過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過(guò)HART協(xié)議訪問(wèn)。
協(xié)議基本情況
· 4~20mA模擬信號(hào)+數(shù)字控制信號(hào)(FSK技術(shù))
· 支持雙絞線全數(shù)字通信,可構(gòu)成15個(gè)站網(wǎng)絡(luò)
· 支持OSI開(kāi)放體系結(jié)構(gòu),1、2、7、層
通信模型:
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(lái)控制數(shù)據(jù)幀的傳送
最多允許15個(gè)從設(shè)備連接到一條多點(diǎn)通訊線上
2)突發(fā)模式
從設(shè)備定時(shí)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(shí),處于4~20mADC與數(shù)字通信兼容狀態(tài)。
當(dāng)?shù)刂窞?~15時(shí),則處于全數(shù)字通信狀態(tài)。
規(guī)定通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu),每個(gè)字符由11位組成:
1bit起始位 + 8bit數(shù)據(jù) + 1bit奇偶校驗(yàn)位 + 1bit停止位
應(yīng)用層:
通用命令:
· 對(duì)所有符合HART協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(hào);
· 讀出主變量及單位;
· 讀出電流的輸出及百分比輸出;
· 讀寫(xiě)8個(gè)字符的標(biāo)牌號(hào),16個(gè)字符的描述內(nèi)容以及日期等;
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(huì)有少量區(qū)別,如寫(xiě)主變量單位,微調(diào)DA的零點(diǎn)和增益等:
· 寫(xiě)入阻尼時(shí)間常數(shù);
· 寫(xiě)入變送器量程;
· 標(biāo)定(設(shè)置零點(diǎn)和量程);
· 微調(diào)主變量零點(diǎn);
· 微調(diào)DAC的零點(diǎn)和增益;
· 完成自檢及主機(jī)復(fù)位;
特殊命令:
僅適用于某種具體的現(xiàn)場(chǎng)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_(kāi)方小流量截?cái)嘀担?/p>
· 啟動(dòng)、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(wèn)答式”:2次/秒,適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn),多站連接
第二種“成組模式”:3.7次/秒,只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接
HART協(xié)議的優(yōu)點(diǎn):
· 模擬信號(hào)帶有過(guò)程控制信息,數(shù)字信號(hào)允許雙向通信;
· (智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表+模擬儀表、記錄儀及控制器)混合系統(tǒng);
· 支持多主站數(shù)字通信,節(jié)省導(dǎo)線,減少安裝費(fèi);
· 通過(guò)租用電話線連接儀表,使遠(yuǎn)方的現(xiàn)場(chǎng)儀表使用相對(duì)便宜的接口設(shè)備;
· 允許“問(wèn)答式”及“成組模式”通信方式;
· 報(bào)文結(jié)構(gòu)靈活、規(guī)范、一次通信可攜帶4個(gè)過(guò)程變量。
HART通信的應(yīng)用通常有三種方式:
· 最普通的是用手持通信終端(HHT)與現(xiàn)場(chǎng)智能儀表通信。
· 帶HART通信功能的控制室儀表,可與多臺(tái)HART儀表進(jìn)行通信并組態(tài)。
· 第三種方式是與PC機(jī)或DCS操作站進(jìn)行通信。
在智能變送器與HART協(xié)議通訊器之間互聯(lián)需要遵循負(fù)載電阻之和在250~600 Ω之間,太小了不能通訊,太大了變送器無(wú)法工作。實(shí)踐中,一般在校驗(yàn)室內(nèi)都至少要串接一個(gè)250 Ω以上的標(biāo)準(zhǔn)電阻,但在現(xiàn)場(chǎng)中如果系統(tǒng)基本滿(mǎn)足負(fù)載電阻要求,可以直接在控制室內(nèi)接線端子上跨接HART通訊器。如圖1所示
由于HART儀表與原4-20mA標(biāo)準(zhǔn)的儀表具有兼容性,HART儀表的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用發(fā)展迅速,特別是在設(shè)備改造中受到歡迎。HART協(xié)議與FF等協(xié)議相比,較為簡(jiǎn)單,而且由于速度慢及低功耗的要求,數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層一般均由軟件實(shí)現(xiàn)。物理層應(yīng)用原有的Bell-202調(diào)制解調(diào)器。為解決不同廠家設(shè)備的互換性及互操作性問(wèn)題,HART采用了設(shè)備描述語(yǔ)言(DDL)。
評(píng)論
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