implementacion protocolo hart

5/14/2018 Implementacion Protocolo Hart - slidepdf.com

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Diseño e Implementación comunicación HARTUniversidad Distrital "Francisco José de Caldas” , Facultad Tecnológica

Ingeniería en Control

Estudiantes: Amparo Mateus, Nelson Torres, Jairo Vargas Caleño y Javier Zarate,Redes Industriales, Profesor: Alberto Delgadillo

Marzo de 2007, Bogotá D.C., Colombia

1. Diseño e implementación comunicación HartEn el presente trabajo se muestran los resultados que seobtuvieron luego de generar una comunicación mediantela implementación del protocolo Hart.

El trabajo se dividió en seis partes: 1) Implementación ADC y señal PWM, 2) Implementación lazo de corriente4 – 20 [mA], 3) Implementación generador FSK, 4)Implementación decodificador FSK, 5) Desarrollo VI enLabview 7.0, y 6) Pruebas de funcionamiento.

Los materiales utilizados fueron:

1. Sensor de Temperatura LM352. Microcontrolador PIC16F873A3. Amplificadores Operacionales LF353

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4. Resistencias Varias5. Potenciómetros6. Transistor 2N22227. Decodificador FSK XR-2211A8. Codificador FSK XR- 2206

2. Generalidades [1] El Protocolo HART (Highway Addressable RemoteTransducer) permite la transmisión simultánea deinformación analógica y digital pues generalmente operasuperpuesto Sobre el lazo de corriente de 4-20 [mA], yutiliza una señal FSK para la transmisión digital binaria a1200 bps, equivalente a un módem Bell 202 (2200 Hzpara un Cero y 1200 Hz para un Uno), como se ve en lafigura. La frecuencia máxima de la señal analógica no vamás allá de 10 Hz.

Figura No. 1. Protocola Hart

HART es un protocolo Half-Duplex , con lo cual se quieredecir que al terminar cada mensaje, la portadora debeser desactivada para permitir que la otra estacióntransmita. Las reglas de tiempo de la portadoraestablecen que la portadora debe ser activada no másdel tiempo de 5 bits antes del inicio del mensaje(preámbulo) y ser desactivada no más del mismo tiempodespués de la transmisión del último byte del mensaje.

La transmisión se realiza en modo ráfaga, es decir, eneste modo se envía un mensaje repetidas veces.

3. Implementación

Figura No. 2. Diagrama bloques instrumento Hart

Circuito codificador Un microcontrolador 16F873A captura la señal del sensor y alimenta el circuito del lazo de corriente, además,utilizando el puerto B se configura la información decampo con la que va a trabajar el instrumento y que es

transmitida a través de la señal FSK.

Para enviar la información se programo una subrutinaque emula el funcionamiento del RS-232.

La señal análoga es sacada por el pin RC2 y lainformación digital por el pin RB7.



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0

VDD

VDD

U8

PIC16F873A

1234567

8

910

11121314 15

161718

1920

2122232425262728MCLR/Vpp

RA0/AN0RA1/AN1RA2/AN2/VREF-RA3/AN3/VREF+RA4/TOCKIRA5/AN4/SS

Vss1

OSC1/CLKINOSC2/CLKOUT

RC0/T10S0/T1CKIRC1/T1OSI/CCP2RC2/CCP1RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA

RC5/SDORC6/TX/CKRC7/RX/TD

VssVDD

RBO/INTRB1RB2

RB3/PGMRB4RB5

RB6/PG6RB7/PGD

0

R2

1kVDD

C5

33P

Y1

4MEG

VDD

C6

33P

0

SENSORPOT 1

3

2

Bandera de inicio Magnitud de la variable medida Informacion de campo B

Figura No. 3. Circuito Codificador [2]

La trama serial (Figura No. 4.), contiene 2 bytes de inicio,

2 bytes con la magnitud de la variable, un byte con lainformación de campo y finaliza con un byte de parada, lalongitud de cada bit es de 2.5 milisegundos.

andera de fin

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 13 14 15 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 4 15 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7

Dos bytes Dos bytes Un byte Un byte

Figura No. 4. Codificación información del instrumento

La señal del microcontrolador alimenta el IC XR2206 elcual genera las frecuencias de 1200 [Hz] y 2200 [Hz]para los unos y los ceros, respectivamente. Estasseñales se montan sobre el lazo de corriente 4 – 20 [mA]

Figura No. 5. Circuito Generador señal FSK [3]

Lazo de corriente 4 -20 [mA] Como se dijo anteriormente, la señal del sensor alimentael circuito del lazo de corriente en forma de una señalPWM.

Figura No. 6. Circuito lazo de corriente 4 – 20 [mA], [4]

El circuito de la Figura No. 4., se encarga de sumar unnivel DC a la señal del PWM con el fin que el transmisor de corriente no empiece desde cero sino que comiencedesde 4 [mA]. El filtro RC que se tiene a continuaciónrectifica la señal del PWM mostrando el valor promedio

obteniéndose así, una señal análoga para el conversor de voltaje a corriente.

El último amplificador operacional suma la señal de4 - 20 [mA] con la señal senoidal FSK del XR2206, el

resultado de esta suma es una señal senoidal montadasobre la señal de 4 - 20 [mA].

La resistencia R12 opera como la carga del circuito, y esel punto donde se mide la señal de 4 - 20 [mA].

Circuito decodificador Este circuito esta montado con el IC XR2211 y permiterecibir la señal FSK montada sobre la señal análoga de4 - 20 [mA], convirtiéndola en pulsos digitales.

La Figura No. 7., muestra el circuito implementado.



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R0

10KRF

255K

RB

1.2MEG

VCC

C3

0.1U

C1

3.9N

VCC

U1

XR2211

12

14

11

1

5

2

4

6

10

9

13

3

87

TIM R

TIM C1

LDO

VCC

LDOQN

INP

GND

LDOQ

Vref

NC

TIM C2

LDF

COMP IDO

R1

51K

RI

1k

CF

1n

0

0

SALIDA

RD

1k

CD

1n

C0

39n

0

ENTRADA

0

0

C1

0.1U

0

Figura No. 7. Decodificador FSK [5]

La salida del circuito mostrado en la Figura No. 7., esingresada a un microcontrolador 16F873A, utilizando elpin RB7, para decodificar e interpretar la información delas etapas anteriores con el fin de transmitirla por laUSART al PC y luego visualizarla en el VI de Labview.

Descripción VI implementado en Labview 7.0 [6]

Figura No. 8.

Configuración del puerto serial

Figura No. 9.

Almacenamiento de 6 bytes recibidos por el puerto serial,estos bytes tienen un formato string por lo que hay queconvertirlo al equivalente numérico.

Figura No. 10.

Recibe los 6 datos provenientes del puerto serial y losorganiza de tal forma que queden 2 bytes al principio yuno al final con el fin de organizar los datos. En el caso

que no estén estas banderas el programa no tomaraningún dato y volverá a leer el puerto serial.

Figura No. 11.

Recibe y organiza 2 bytes para conformar uno de 16 bitsy los visualiza, corresponden a la magnitud de la variablesensada.



Figura No. 12.

Como el tercer byte contiene la información del sensor transmitida por FSK, es necesario enmascararlo paradeterminar la información.

Esta información de configuración se realiza utilizandolos pines del puerto RB del microcontrolador generador.

A continuación se muestra el formato de codificación quese utilizo en la transmisión Hart.

E n m a s c a r .

x D i r e c c i o n

RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 RB0

64 x 1 0 0 0 0 0 0

32 x 0 1 0 0 0 0 0

16 x 0 0 1 0 0 0 0

0 x 0 0 0 0 0 0 0

8 x 0 0 0 1 0 0 0

4 x 0 0 0 0 1 0 0

2 x 0 0 0 0 0 1 0

1 x 0 0 0 0 0 0 1

PSI

Online

Ofline

Presion

Nodo 1

Nodo 0

ºC

U n i d a d

E s t a d o

V a r i a b l e

Temperatura

Figura No. 13. Codificación información de campo

El panel frontal del VI se muestra en la Figura No. 14., ycontiene un indicador de aguja que muestra la magnitudde la variable medida, cuatro indicadores de texto dondese visualiza la variable configurada (temperatura -presión), la dirección o nodo de configuración delinstrumento (0 - 1), las unidades de las variablesutilizadas (ºC – psi) y el estado del instrumento

(En línea – fuera de línea). Cuando existe un error deconfiguración del instrumento se despliega un mensajede falla en cada celda.

Figura No. 14. Panel frontal VI

4. ConclusionesEl Protocolo HART permite la comunicación digitalbi-direccional con instrumentos sin perturbar la señalanalógica de 4-20 [mA]. El éxito de este protocolo y laaceptación obtenida en el entrono industrial se debe a lasventajas que ofrece al usuario, y a su “fácilimplementación” sobre los sistemas de control existentesbasados en 4-20 [mA].

Sin embargo, la implementación de este tipo decomunicación requiere la utilización de dispositivoscapaces de generar y garantizar las características del

protocolo, ya que en este trabajo se utilizaron elementosy dispositivos de bajo costo y comerciales.

A pesar que los fabricantes presentan en sus hojastécnicas datos sobre los valores de los componentesnecesarios para la implementación, estos no sonexactos, por ejemplo, el condensador CO debió ser cambiado por uno de 10n, se agrego un condensador adicional a la salida y se manejo un potenciómetro de

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50k, debido a las características y tolerancias de losdiferentes elementos.

Consecuencia de estas diferencias, encontramos que lasvelocidades que manejan estos dispositivos son muylentas, menores a 300 baudios.

Aun que no se implemento el protocolo de formacompleta debido a que los algoritmos que se utilizaron nolograron gestionar toda la información requerida por elprotocolo de comunicación (cerca de 13 bytes), se logroevidenciar las ventajas de estos instrumentos y verificar que ambas señales, la analógica y las señales decomunicación digital HART pueden ser transmitidassimultáneamente sobre el mismo cable, lográndoseobtener información de campo del instrumento y lavariable de trabajo.

5. Bibliografía[1] Briceño Márquez, José E., “Transmisión de Datos”,Universidad de los Andes, Facultad de Ingeniería,Departamento de Publicaciones, Mérida, Abril de 2005,páginas 260 – 266.

[2] www.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39582b.pdf

[3] www.exar.com/products/XR2206v103.pdf

[4] www.national.com/JPN/ds/LF/LF353.pdf

[5] www.exar.com/products/XR2211Av104.pdf

[6] Ayuda Labview 7.0

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