Формат кадра Базовый формат кадра данных

Поле	Длина (в битах)	Описание
Начало кадра	1	Сигнализирует начало передачи кадра
Идентификатор	11	Уникальный идентификатор
Запрос на передачу (RTR)	1	Должен быть доминантным
Бит расширения идентификатора (IDE)	1	Должен быть доминантным
Зарезервированный бит (r0)	1	Резерв
Длина данных (DLC)	4	Длина поля данных в байтах (0-8)
Поле данных	0-8 байт	Передаваемые данные (длина в поле DLC)
Контрольная сумма (CRC)	15	Контрольная сумма всего кадра
Разграничитель контрольной суммы	1	Должен быть рецессивным
Промежуток подтверждения (ACK)	1	Передатчик шлёт рецессивный, приёмник вставляет доминанту
Разграничитель подтверждения	1	Должен быть рецессивным
Конец кадра (EOF)	7	Должен быть рецессивным

Первые 7 бит идентификатора не должны быть все рецессивными.

Расширенный формат кадра данных

Поле	Длина (в битах)	Описание
Начало кадра	1	Сигнализирует начало передачи кадра
Идентификатор A	11	Первая часть идентификатора
Подмена запроса на передачу (SRR)	1	Должен быть рецессивным
Бит расширения идентификатора (IDE)	1	Должен быть рецессивным
Идентификатор B	18	Вторая часть идентификатора
Запрос на передачу (RTR)	1	Должен быть доминантным
Зарезервированные биты (r1 и r0)	2	Резерв
Длина данных (DLC)	4	Длина поля данных в байтах (0-8)
Поле данных	0-8 байт	Передаваемые данные (длина в поле DLC)
Контрольная сумма (CRC)	15	Контрольная сумма всего кадра
Разграничитель контрольной суммы	1	Должен быть рецессивным
Промежуток подтверждения (ACK)	1	Передатчик шлёт рецессивный, приёмник вставляет доминанту
Разграничитель подтверждения	1	Должен быть рецессивным
Конец кадра (EOF)	7	Должен быть рецессивным

Идентификатор получается объединением частей A и B.

Протоколы высокого уровня:

Базовой спецификации CAN недостаёт многих возможностей, требуемых в реальных системах: передачи данных длиннее 8 байт, автоматического распределения идентификаторов между узлами, единообразного управления устройствами различных типов и производителей. Поэтому вскоре после появления CAN на рынке начали разрабатываться протоколы высокого уровня для него. В число распространённых на данный момент протоколов входят:

• CANopen

• DeviceNet

• CAN Kingdom

• J1939

• SDS

• NMEA-2000 (морской транспорт)

Во всех высокотехнологических системах современного автомобиля применяется CAN-протокол для связи ЭБУ с дополнительными устройствам и контроллерами исполнительных механизмов и различных систем безопасности. В некоторых автомобилях CAN связывает IMMO, приборные панели, SRS блоки и т.д.

Также протокол CAN ISO 15765-4 вошел в состав стандарта OBDII.

Преимущества

• Возможность работы в режиме жёсткого реального времени.

• Простота реализации и минимальные затраты на использование.

• Высокая устойчивость к помехам.

• Арбитраж доступа к сети без потерь пропускной способности.

• Надёжный контроль ошибок передачи и приёма.

• Широкий диапазон скоростей работы.

• Большое распространение технологии, наличие широкого ассортимента продуктов от различных поставщиков.

Недостатки

• Небольшое количество данных, которое можно передать в одном пакете (до 8 байт).

• Большой размер служебных данных в пакете (по отношению к полезным данным).

• Отсутствие единого общепринятого стандарта на протокол высокого уровня, однако же, это и достоинство. Стандарт сети предоставляет широкие возможности для практически безошибочной передачи данных между узлами, оставляя разработчику возможность вложить в этот стандарт всё, что туда сможет поместиться. В этом отношении CAN подобен простому электрическому проводу. Туда можно «затолкать» любой поток информации, который сможет выдержать пропускная способность шины. Известны примеры передачи звука и изображения по шине CAN (Россия). Известен случай создания системы аварийной связи вдоль автодороги длиной несколько десятков километров (Германия). (В первом случае нужна была большая скорость передачи и небольшая длина линии, во втором случае — наоборот). Изготовители, как правило, не афишируют, как именно они используют полезные байты в пакете.

105. HART-протокол и HART-сеть. Принципы построения.

HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) — цифровой промышленный протокол передачи данных, попытка внедрить информационные технологии на уровень полевых устройств. Модулированный цифровой сигнал, позволяющий получить информацию о состоянии датчика или осуществить его настройку, накладывается на токовую несущую аналоговой токовой петли уровня 4—20 мА. Таким образом, питание датчика, снятие его первичных показаний и вторичной информации осуществляется по двум проводам. HART-протокол это практически стандарт для современных промышленных датчиков. Приём сигнала о параметре и настройка датчика осуществляется с помощью HART-модема или HART-коммуникатора. К одной паре проводов может быть подключено несколько датчиков.По этим же проводам может передаваться сигнал 4—20 мА.

HART протокол использует принцип частотной модуляции для обмена данными на скорости 1200 бод. Для передачи логической «1» HART использует один полный период частоты 1200 Гц, а для передачи логического «0» - два неполных периода 2200 Гц. HART составляющая накладывается на токовую петлю 4—20 мА. Поскольку среднее значение синусоиды за период равно "0", то HART сигнал никак не влияет на аналоговый сигнал 4—20 мА. HART протокол построен по принципу «Ведущий — Ведомый», то есть полевое устройство отвечает по запросу системы. Протокол допускает наличие двух управляющих устройств (управляющая система и коммуникатор). Существует два режима работы датчиков, поддерживающих обмен данными по HART протоколу.

Режим передачи цифровой информации одновременно с аналоговым сигналом. Обычно в этом режиме датчик работает в аналоговых АСУ ТП, а обмен по HART-протоколу осуществляется посредством HART-коммуникатора или компьютера. При этом можно удаленно (расстояние до 3000 м) осуществлять полную настройку и конфигурирование датчика. Оператору нет необходимости обходить все датчики на предприятии, он может их настроить непосредственно со своего рабочего места.

В многоточечном режиме — датчик передает и получает информацию только в цифровом виде. Аналоговый выход автоматически фиксируется на минимальном значении (только питание устройства — 4 мА) и не содержит информации об измеряемой величине. Информация о переменных процесса считывается по HART-протоколу. К одной паре проводов может быть подключено до 15 датчиков. Их количество определяется длиной и качеством линии, а также мощностью блока питания датчиков. Все датчики в многоточечном режиме имеют свой уникальный адрес от 1 до 15, и обращение к каждому идет по соответствующему адресу. Коммуникатор или система управления определяет все датчики, подключенные к линии, и может работать с любым из них.

HART-протокол был разработан в середине 1980-х годов американской компанией Rosemount. В начале 1990-х годов протокол был дополнен и стал открытым коммуникационным стандартом. Однако, полных официальных спецификаций протокола в открытом доступе нет — их необходимо заказывать за деньги на сайте фонда HART-коммуникаций[1]. На март 2009 года доступна спецификация версии HART 7.2, поддерживающая технологию беспроводной передачи данных.

Преимущества

• высокая помехозащищённость

• простота и низкая стоимость монтажа

• дешевизна

• широкая распространённость в мире и России

Недостатки

• малые скорости 4kB/s.

• нестабильное подключение.

Физический уровень

Wired HART

HART протокол использует метод частотного сдвига для наложения цифровой связи на токовый сигнал 4—20 мА, идущий по цепи, соединяющей центральную систему с первичными датчиками. Для представления двоичных 1 и 0 используются две разные частоты (1200 Гц и 2200 Гц соответственно).

WirelessHART

Расширение стандарта, основанное на стандарте передачи данных по беспроводным сетям IEEE 802.15.4-2006 и использующее мультиплексирование с разделением по времени.

HART over IP

TCP/IP транспорт расширяет число применимых физических уровней до тех, которые поддерживают TCP/IP коммуникацию. Возможные реализации: Ethernet (802.3), Wi-Fi (802.11b/g) или RS-232 используя PPP.

П ринцип обмена данными по HART-протоколу Итак, в HART-протоколе реализована схема отношений между узлами сети по принципу MASTER/SLAVE, то есть ведомый узел (SLAVE) может активизировать среду передачи только по запросу ведомого узла (MASTER). В HART-сети может присутствовать до 2 MASTER-узлов (обычно один). Второй MASTER, как правило, освобожден от поддержания циклов передачи и занят под связь с какой-либо системой контроля/отображения данных. Стандартная топология организована по принципу "точка-точка" или "звезда". Для передачи данных по сети используются два режима: по схеме "запрос-ответ", т.е. асинхронный обмен данными (один цикл укладывается в 500 мс); все пассивные узлы непрерывно передают свои данные на MASTER-узел (время обновления данных в MASTER-узле 250-300 мс). Возможно построение топологии типа "шина" (до 15 узлов), когда несколько узлов подключены на одну витую пару.

Метод контроля корректности передаваемых данных основан на получении подтверждения. В США HART-сообщения можно свободно передавать по телефонным линиям. В Европе это не разрешено - для этих целей необходимо иметь выделенный телефонный канал. Объявлено, что на сегодня установлено около 600 тысяч HART-узлов. Наличие международной организации "HART Communication Foundation" позволяет активно продвигать эту промышленную сеть в среде пользователей.

106. Точностные характеристики датчиков, чувствительность, гистерезис, класс точности.

Датчики представляют собой электрические аппараты, предназначенные для преобразования непрерывного изме­нения входной (контролируемой) неэлектрической величи­ны в изменение выходной электрической величины. Входные величины могут отражать самые разнообразные физические явления — линейное или угловое перемещение, скорость, ускорение, температуру твердых, жидких и газообразных тел, усилие, давление и т. д. В качестве выходных величин чаще всего используются активное, индуктивное, емкостное сопротивление, ток, ЭДС, падение напряжения, частота и фаза переменного тока.

Основной характеристикой датчика является чувствительность  S = DY/DX, где DY, DX – приращения выходной и входной величин.  Часто пользуются понятием относительной чувствитель­ности   , где Y, Х - полные изменения выходной и входной величин.

Датчики могут быть линейными (S = const) и нелиней­ными (S = var). У последних чувствительность зависит от входной величины. Важным параметром датчика является порог чувствительности, представляющий собой наименьшее значение входной величины, вызывающее изменение вы­ходной величины, которое может быть измерено.

Номинальной характеристикой датчика называется за­висимость выходной величины от входной величины. Эта характери­стика дается в паспорте датчика и используется как расчет­ная при измерениях. Экспериментально снятая зависимость вход-выход отличается от номинальной на погрешность.

Различают абсолютную и относительную погрешности датчика по входу. Абсолютная погрешность   относительная погрешность  ,      где Х_вх.ном - значение входной величины датчика, опреде­ляемое по выходной величине и номинальной характеристи­ке; Х_д - действительное значение входной величины.

Аналогично могут быть рассмотрены погрешности дат­чика по выходу.

На погрешность оказывают влияние внешние условия эксплуатации: температура, магнитные и электрические по­ля, влажность окружающей среды, напряжение и частота источника питания, механические и радиационные воздейст­вия и др.

Погрешности датчика при нормальных значениях внеш­них параметров (нормальной температуре, нормальном ат­мосферном давлении, номинальных значениях напряжения и частоты питания и т. п.) называются основными.

Если параметры внешних условий выходят за границы нормируемых, то возникают дополнительные погрешности. Для уменьшения дополнительных погрешностей либо сни­жают чувствительность датчика к внешним условиям, либо уменьшают степень их влияния.

Наряду с высокой чувствительностью и малой погреш­ностью, датчики должны обладать необходимым диапазоном изменения входной величины, возможностью согласования с из­мерительной схемой и минималь­ным обратным воздействием дат­чика на входную величину. При быстрых изменениях входной ве­личины датчик должен быть ма­лоинерционным.

Существующие датчики весь­ма разнообразны по принципу действия, конструктивному вы­полнению и схеме.

Датчики можно разбить на две большие группы — параметрические (пассивные) и генераторные (активные).

К пер­вым относятся резистивные,  индуктивные, емкостные и контактные датчики.

Ко вторым относятся датчики, ис­пользующие эффект наведенной ЭДС (электромагнитной индукции), пьезоэффект, эффект Холла, термо-ЭДС, появ­ление ЭДС при воздействии радиоактивных излучений и т. п. Ниже будут рассмотрены датчики, которые по прин­ципу действия и конструкции близки к электрическим ап­паратам.

Гистерезис - это разность значений выходного сигнала для одного и того же входного сигнала, полученных при его возрастании и убывании. Например, пусть показания датчика перемещений при движении объекта слева направо отличаются на 20 мВ от его показаний при движении объекта в той же самой точке датчика справа налево. Если чувствительность датчика составляет 10 мВ/мм, ошибка гистерезиса в единицах перемещения будет равна 2 мм. Типичной причиной возникновения гистерезиса является трение и структурные изменения материалов.

Основной качественной характеристикой любого датчика является погрешность измерения контролируемого параметра. Погрешность измерения прибора это величина расхождения между тем, что показал (измерил) датчик КИП и тем, что есть на самом деле. Погрешность измерения для каждого конкретного типа датчика указывается в сопроводительной документации (паспорт, инструкция по эксплуатации, методика поверки), которая поставляется вместе с данным датчиком.

По форме представления погрешности делятся на абсолютную, относительную и приведенную погрешности.

	ООП	основная относительная погрешность
	ОПП	основная приведенная погрешность
	ОАП	основная абсолютная погрешность

Абсолютная погрешность – это разница между измеренной датчиком величиной Хизм и действительным значением Хд этой величины.

Действительное значение Хд измеряемой величины это найденное экспериментально значение измеряемой величины максимально близкое к ее истинному значению. Говоря простым языком действительное значение Хд это значение, измеренное эталонным прибором, или сгенерированное калибратором или задатчиком высокого класса точности. Абсолютная погрешность выражается в тех же единицах измерения, что и измеряемая величина (например, в м3/ч, мА, МПа и т.п.). Так как измеренная величина может оказаться как больше, так и меньше ее действительного значения, то погрешность измерения может быть как со знаком плюс (показания прибора завышены), так и со знаком минус (прибор занижает).

Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения Δ к действительному значению Хд измеряемой величины.

Относительная погрешность выражается в процентах, либо является безразмерной величиной, а также может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Приведенная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения Δ к нормирующему значению Хn, постоянному во всем диапазоне измерения или его части.

Нормирующее значение Хn зависит от типа шкалы датчика КИП:

1. Если шкала датчика односторонняя и нижний предел измерения равен нулю (например, шкала датчика от 0 до 150 м3/ч), то Хn принимается равным верхнему пределу измерения (в нашем случае Хn = 150 м3/ч).

2. Если шкала датчика односторонняя, но нижний предел измерения не равен нулю (например, шкала датчика от 30 до 150 м3/ч), то Хn принимается равным разности верхнего и нижнего пределов измерения (в нашем случае Хn = 150-30 = 120 м3/ч).

3. Если шкала датчика двухсторонняя (например, от -50 до +150 ˚С), то Хn равно ширине диапазона измерения датчика (в нашем случае Хn = 50+150 = 200 ˚С).

Приведенная погрешность выражается в процентах, либо является безразмерной величиной, а также может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Довольно часто в описании на тот или иной датчик указывается не только диапазон измерения, например, от 0 до 50 мг/м3, но и диапазон показаний, например, от 0 до 100 мг/м3. Приведенная погрешность в этом случае нормируется к концу диапазона измерения, то есть к 50 мг/м3, а в диапазоне показаний от 50 до 100 мг/м3 погрешность измерения датчика не определена вовсе – фактически датчик может показать все что угодно и иметь любую погрешность измерения. Диапазон измерения датчика может быть разбит на несколько измерительных поддиапазонов, для каждого из которых может быть определена своя погрешность как по величине, так и по форме представления. При этом при поверке таких датчиков для каждого поддиапазона могут применяться свои образцовые средства измерения, перечень которых указан в методике поверки на данный прибор.

У некоторых приборов в паспортах вместо погрешности измерения указывают класс точности. К таким приборам относятся механические манометры, показывающие биметаллические термометры, термостаты, указатели расхода, стрелочные амперметры и вольтметры для щитового монтажа и т.п. Класс точности – это обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также рядом других свойств, влияющих на точность осуществляемых с их помощью измерений. При этом класс точности не является непосредственной характеристикой точности измерений, выполняемых этим прибором, он лишь указывает на возможную инструментальную составляющую погрешности измерения. Класс точности прибора наноситься на его шкалу или корпус по ГОСТ 8.401-80.

При присвоении прибору класса точности он выбирается из ряда 1·10ⁿ; 1,5·10ⁿ; (1,6·10ⁿ); 2·10ⁿ; 2,5·10ⁿ; (3·10ⁿ); 4·10ⁿ; 5·10ⁿ; 6·10ⁿ; (где n =1, 0, -1, -2, и т. д.). Значения классов точности, указанные в скобках, не устанавливают для вновь разрабатываемых средств измерений.

Определение погрешности измерения датчиков выполняют, например, при их периодической поверке и калибровке. С помощью различных задатчиков и калибраторов с высокой точностью генерируют определенные значения той или иной физической величины и сличают показания поверяемого датчика с показаниями образцового средства измерения, на которое подается то же самое значение физической величины. Причем погрешность измерения датчика контролируется как при прямом ходе (увеличение измеряемой физической величины от минимума до максимума шкалы), так и при обратном ходе (уменьшение измеряемой величины от максимума до минимума шкалы). Это связано с тем, что из-за упругих свойств чувствительного элемента датчика (мембрана датчика давления), различной интенсивности протекания химических реакций (электрохимический сенсор), тепловой инерции и т.п. показания датчика будут различны в зависимости от того, как меняется воздействующая на датчик физическая величина: уменьшается или увеличивается.