Чипээс систем хүртэлх бүрэн хэрэгжилтийн зам (1-р хэсэг)
HART технологийн шийдлүүд Цагаан цаас
Чипээс систем хүртэлх бүрэн хэрэгжилтийн зам (1-р хэсэг)
Хураангуй
Аж үйлдвэрийн автоматжуулалтын салбарт HART (Хурдны хаягтай алсын дамжуулагч) протокол нь уламжлалт аналог тоног төхөөрөмжийг орчин үеийн дижитал удирдлагын системтэй холбосон гол технологийн холбоос болж үйлчилдэг. Аж үйлдвэрийн талбайн баталгаажуулалтын бараг дөчин жилийн турш үргэлжилсэн HART нь дэлхий даяар хамгийн өргөн хэрэглэгддэг талбайн төхөөрөмжийн холбооны протоколуудын нэг болсон. Bell 202 FSK модуляцийн технологийг ашигласнаар дижитал холбооны дохиог уламжлалт 4-20мА аналог гүйдлийн гогцоо дээр давхарлаж, " аналог дамжуулалт + дижитал холбооны хос горимын зэрэгцэн орших боломжийг олгодог. " Энэхүү загвар нь компаниудад одоо байгаа тоног төхөөрөмжийг одоо байгаа хяналтын гогцоог тасалдуулах эсвэл кабель дахин тавихгүйгээр алсын тохиргоо, бодит цагийн оношлогоо, олон хувьсагчтай дамжуулалт зэрэг дижитал чадавхиар хангах боломжийг олгодог.
Энэхүү баримт бичиг нь аж үйлдвэрийн автоматжуулалтын чиглэлээр ажилладаг системийн инженерүүд, техник хангамж хөгжүүлэгчид болон төслийн шийдвэр гаргагчдад чип сонголт, техник хангамжийн дизайн, протоколын стек хөгжүүлэлт, системийн интеграцийг хамарсан бүрэн хэмжээний технологийн гарын авлага өгөх зорилготой юм. Мөн дотоодын орлуулалтын зам болон ирээдүйн хөгжлийн чиг хандлагыг судалж, орон нутгийн аж ахуйн нэгжүүдэд бие даасан, хяналттай HART технологийн чадавхийг бий болгоход нь тусалдаг.
I. HART протоколын техникийн архитектурын гүнзгий дүн шинжилгээ
HART протокол нь OSI-ийн долоон давхаргат загварт физик давхарга, өгөгдлийн холболтын давхарга, хэрэглээний давхаргын үзүүлэлтүүдийг дагадаг. Техникийн архитектурын ур чадвар нь давхаргуудын хоорондын өндөр түвшний зохицуулалт болон үйлдвэрлэлийн талбайн хатуу ширүүн орчинд гүнзгий дасан зохицох чадварт оршино. Давхаргын механизмыг ойлгох нь найдвартай HART системийг зохион бүтээх онолын үндэс суурь болдог.
1.1 Физик давхарга: FSK модуляци ба дохионы зэрэг орших механизм
HART физик давхарга нь Bell 202 стандартын Давтамжийн Шилжилтийн Түлхүүр (FSK) модуляцийн технологийг ашигладаг бөгөөд 1200 Гц нь "1" логикийг, 2200 Гц нь "0" логикийг, тогтмол бауд хурд нь 1200 bps байна. Дижитал холбооны дохио нь ±0.5 мА оргилоос оргил хүртэлх сул гүйдлийн хэлбэлзэлтэй 4-20 мА аналог гүйдлийн гогцоо дээр давхардсан байдаг. FSK дохионы хугацааны дундаж нь тэг тул аналог дохионы дамжуулалтын нарийвчлалд мэдэгдэхүйц нөлөө үзүүлэхгүй.
Хүснэгт 1: HART физик давхаргын үндсэн техникийн параметрүүд
| Модуляцийн арга | Bell 202 FSK (Давтамжийн Шилжилтийн Товчлол) |
| Тээвэрлэгчийн давтамж | Логик "1": 1200 Гц | Логик "0": 2200 Гц |
| Бодын хурд | 1200 bps (тогтмол) |
| Дохионы далайц | ±0.5 мА (оргил цэгээс оргил цэг хүртэлх утга, 4-20 мА гогцоо дээр давхарласан) |
| Ачааллын эсэргүүцэл | 250 Ω (стандарт, хэмжилтийг хялбар болгохын тулд 1-5 В хүчдэлийн уналт үүсгэдэг) |
| Дамжуулах зай | Онолын хувьд хамгийн их урт нь 3000 м (кабелийн үзүүлэлт болон топологиос хамаарна). |
FSK модуляцлагдсан дохиог багтаамжийн холболтын сүлжээгээр дамжуулан гүйдлийн гогцоонд оруулдаг. Холболтын хэлхээний загвар нь аналог дохионд саад учруулахаас зайлсхийхийн тулд тогтмол гүйдлийн болон нам давтамжийн зурваст өндөр тусгаарлах шинж чанарыг харуулахын зэрэгцээ 1200 Гц ба 2200 Гц давтамжтай үед бага импеданс замыг хангах ёстой. Энэхүү "давтамжийн хуваалтын мультиплекс" механизм нь HART протоколыг 4-20 мА аналог системтэй тасралтгүй зэрэгцэн орших үндсэн баталгаа юм.
1.2 Өгөгдлийн холболтын давхарга: Мастер-боолын архитектур ба харилцаа холбооны протокол
HART өгөгдлийн холболтын давхарга нь хоёр сүлжээний горимыг дэмждэг хатуу "1 Master / n Slaves" харилцаа холбооны архитектурыг ашигладаг:
Цэгээс цэг рүү горим: Мастер төхөөрөмж нь ганц боол төхөөрөмжтэй холбогддог. 4-20 мА аналог дохиог процессын хувьсах дамжуулалтад ашигладаг бол дижитал суваг нь төхөөрөмжийн тохиргоо болон оношилгооны мэдээллийг дамжуулдаг. Уламжлалт удирдлагын гогцоог шинэчлэхэд тохиромжтой.
Олон уналтын горим: 15 хүртэлх боол төхөөрөмжийг нэг автобусанд (орчин үеийн HART-IP нь илүү олон зангилаа руу өргөждөг) холбож, зөвхөн дижитал сувгуудыг ашиглан төхөөрөмжийн тэжээлийн хангамжид зориулж 4 мА тогтмол аналог гүйдэлтэй холбож болно. Тархсан мэдрэгчийн сүлжээнд тохиромжтой.
Өгөгдлийн холбоосын давхаргын хүрээний формат нь чанга бүтэцтэй тодорхойлолтуудыг дагаж мөрддөг бөгөөд үүнд оршил, тусгаарлагч, хаягийн талбар, командын талбар, өгөгдлийн талбар, шалгалтын дараалал зэрэг шуугиантай үйлдвэрлэлийн орчинд дамжуулалтын найдвартай байдлыг хангах явдал юм. HART протокол нь урт хүрээ болон богино хүрээний форматыг хоёуланг нь дэмждэг. Эхнийх нь 38 битийн өвөрмөц төхөөрөмжийн танигчийг дэмждэг бол сүүлийнх нь хаяглалт болон өргөн нэвтрүүлгийн харилцаа холбоог хялбаршуулахад ашиглагддаг.
1.3 HART протоколын стекийн давхаргатай архитектур
Бүрэн HART протоколын стек нь олон үндсэн давхаргаас бүрдэх бөгөөд тус бүр нь тодорхой үүрэг хариуцлага, интерфэйстэй бөгөөд төхөөрөмжийн харилцан ажиллах чадварыг стандартчилсан баталгаагаар хангадаг:
Хүснэгт 2: HART протоколын стекийн давхаргажсан архитектур ба функцийн зураглал
| Физик давхарга | FSK модуляци ба демодуляци, дохионы холболт, гүйдлийн гогцооны хөтөч, гогцооны цахилгаан хангамжийн удирдлага. |
| Өгөгдлийн холбоосын давхарга | Хүрээний капсулжуулалт/шинжилгээ, CRC шалгалт, мастер-боолын хуваарь, мөргөлдөөн илрүүлэх болон дахин дамжуулах |
| Хэрэглээний давхарга | Түгээмэл командууд, Нийтлэг практик командууд болон Төхөөрөмжид зориулсан командууд |
| Тээврийн давхарга | HART 7-д нэвтрүүлсэн сегментчилсэн дамжуулах механизм нь их хэмжээний өгөгдлийн пакетуудыг найдвартай дамжуулахыг дэмждэг. |
II. Гол чипийн сонголт ба гол бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тохируулга
HART системийн техник хангамжийн дизайны гол цөм нь HART чип, DAC болон MCU-г уялдуулан сонгоход оршино. HART чип нь HART холбооны нийцэл болон найдвартай байдлыг шууд тодорхойлдог, DAC нь аналог гаралтын нарийвчлал болон тогтвортой байдлыг тодорхойлдог бөгөөд MCU нь протоколын стекийн ажиллагаа болон хэрэглээний логик боловсруулалтыг гүйцэтгэдэг. Энэ бүлэгт инженерийн практикт суурилсан олноор үйлдвэрлэсэн болон баталгаажсан сонголтын шийдлүүдийг оруулсан болно.
2.1 HART чипийн харьцуулалт ба сонголт
HART холбооны чип нь системийн гол бүрэлдэхүүн хэсэг бөгөөд FSK дохионы модуляци болон демодуляцийг хариуцдаг. Доорх хүснэгтэд өндөр зэрэглэлийн импортын чип, сонгодог импортын чип, дотоодын хувилбар гэсэн гурван үндсэн ангиллыг хамарсан одоогийн түгээмэл харилцаа холбооны чип шийдлүүдийг харьцуулсан болно.
Хүснэгт 3: HART холбооны чипийн цогц харьцуулалт ба сонголтын хүснэгт
| Загвар | Үйлдвэрлэгч/Байршил | Температурын хүрээ | Гол онцлогууд | Холбогдох хувилбарууд |
МЭ 5700 он AD5700-1 | ADI импортын өндөр зэрэглэлийн | -40°C ~ +125°C | Хэт бага эрчим хүчний хэрэглээ (<2 μA унтах горим), суурилуулсан ADC Оскар хэлхээ, тохируулж болох интерфэйсийн түвшин | Өндөр нарийвчлалтай дамжуулагч, өндөр зэрэглэлийн үйлдвэрлэлийн багаж хэрэгсэл, хатуу ширүүн орчинд ашиглах хэрэглээ |
A5191 A5191HRT | Импортын сонгодог загвар | -40°C ~ +85°C | Аж үйлдвэрийн зэрэглэлийн өргөн температурын хүрээ, боловсорсон захын хэлхээ, элбэг дэлбэг баримт бичиг, бүрэн экосистем. | Одоо байгаа тоног төхөөрөмжийг шинэчлэх, хуучин шийдлүүдийг шилжүүлэх, ерөнхий зориулалттай HART модулиудыг ашиглах. |
| HT5700 | Микрокибер Дотоодын нийцтэй байдал | -40°C ~ +125°C | AD5700-тэй пин-пин холболтоор нийцтэй, 30%-50% хүртэл өртөг буурсан, орон нутгийн техникийн дэмжлэгтэй. | Дотоодын орлуулах төслүүд, өртөгт мэдрэмтгий массын хэрэглээ, бие даасан хяналтын хэрэгцээ. |
| HT1200M | Микрокибер Дотоод Хялбаршуулсан | -40°C ~ +85°C | Цул цогц дизайн, захын эд ангиуд хамгийн бага (60%-иас дээш хувиар буурсан), тогтвортой, найдвартай, жижиг савлагаатай | Хямд өртөгтэй HART модуль, хялбар боолын төхөөрөмж, зай багатай хэрэглээ |
Сонголтын зөвлөмж: Дотоодын орлуулалт болон өртөг өндөртэй багц төслүүдийн хувьд Microcyber HT5700 (AD5700-тэй нийцтэй зүүнээс зүү хүртэл) болон HT1200M (маш энгийн захын загвар) нь өрсөлдөх чадвар өндөртэй хувилбаруудыг санал болгодог. Бодит туршилтын үр дүнгээс харахад тэдгээрийн харилцаа холбооны гүйцэтгэл ижил түвшинд байгаа бол зардлыг 50%-иас дээш бууруулж болно.
2.2 Туслах төхөөрөмжүүдийн давуу эрхтэй схем
Харилцаа холбооны чипээс гадна DAC болон MCU-ийн сонголт нь системийн нийт гүйцэтгэлд нөлөөлдөг. Дараахь зүйлсийг массын үйлдвэрлэлд батлагдсан туслах бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг санал болгож байна.
Хүснэгт 4: Хамгийн оновчтой DAC чипийн схем
| DAC загвар | Үйлдвэрлэгчид | Гол онцлогууд | Холбогдох хувилбарууд |
| МЭ5420 | НЭР | 16 битийн нарийвчлалтай, HART дохионы тарилгын порт, 4-20 мА гаралттай | Өндөр нарийвчлалтай хэрэглээнд HART дамжуулагч нь илүүд үздэг сонголт юм. |
| МЭ5421 | НЭР | 16 битийн нарийвчлалтай, HART-тай нийцтэй, давталттай | Гогцоотой хөдөлгүүртэй хээрийн багаж хэрэгсэл |
| DAC8830 | OF | 16 битийн хэт бага эрчим хүчний хэрэглээ, дан цахилгаан хангамж | Батерейгаар ажилладаг утасгүй HART төхөөрөмжүүд |
Хүснэгт 5: MCU-ийн давуу эрхтэй схем
| MCU загвар | Гол | Гол онцлогууд | Холбогдох хувилбарууд |
| STM32L0/L4 | ARM Cortex-M0+/M4 | Хэт бага эрчим хүчний хэрэглээ, элбэг дэлбэг захын төхөөрөмжүүд болон боловсорсон экосистем | Ерөнхий зориулалттай HART төхөөрөмжүүд, багц төслүүд |
| ADuCM360 | ARM Cortex-M3 | 24 битийн ADC интеграцчилал, үйлдвэрлэлийн зэрэглэлийн нарийвчлал, ADI экосистем | Өндөр нарийвчлалтай аж үйлдвэрийн дамжуулагч болон үйл явцын хяналтын хэрэгслүүд |
Дээрх нь “HART технологийн шийдлийн цагаан баримт”-ын энэ дугаарын гол агуулга юм. Бид протоколын үүсэл болон физик давхаргын зарчимаас эхлээд чип түвшний хэрэгжилт хүртэл HART харилцаа холбооны үндсэн логик болон гол техникийн цэгүүдийг системтэйгээр задлан шинжилсэн.
Дараа нь бид техник хангамжийн архитектур болон суулгагдсан протоколын стекийн хэрэгжилтийг гүнзгийрүүлэн судалж, хэлхээний дизайн, дохионы тохиргооноос эхлээд протоколын стек портлох хүртэлх HART-ийн инженерчлэлийн замыг нарийвчлан авч үзэж, техникийн зарчмуудыг масс үйлдвэрлэх боломжтой техник хангамжийн шийдлүүдэд үнэхээр хэрэгжүүлэх болно.
