每個儀表都有自己獨特的通訊協(xié)議，常見的有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)缺點呢？本文將重點介紹目前常見的幾種通訊協(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。

　　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

　　· 工業(yè)以太網(wǎng)

　　· ASI通信

　　· PPI通信

　　· 遠程無線通信

　　· 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)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)標準。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準。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。

　　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)標準。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(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。標準的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，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

　　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。

　　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

　　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

　　RS-232通訊協(xié)議2

　　RS-232是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（ElectronicIndustry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號通常。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標準設(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。

　　傳輸速率

　　RS-232標準規(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。

　　遠程通信連接數(shù)據(jù)終端

　　RS-232標準最初是遠程通信連接數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）而制定的。因此這個標準的制定，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（更準確的說，是計算機接口）與終端或外設(shè)之間的近端連接標準。顯然，這個標準的有些規(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標準與計算機不兼容的地方就不難理解了。

　　“發(fā)送”和“接收”

　　RS-232標準中所提到的“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。

　　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)，負電壓）=-3V～-15V

　　RS-232接口定義（9芯）

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　　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（-）

　　12~17 未定義

　　18 數(shù)據(jù)接收（+）

　　19 未定義

　　20 數(shù)據(jù)終端準備好 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)送針腳就能實現(xiàn)：同一個串口的接收腳和發(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缺點 ：

　?。?）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。

　?。?）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。

　?。?）傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為50英尺（實際≤15米）。

　　RS-485通訊協(xié)議3

　　RS-485標準是在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標準。

　　RS-485的電氣特性：

　　邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2—6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2—6）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。

　　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

　　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連接時采用默認數(shù)據(jù)格式。

　　RS-485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達 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)。

　　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。

　　HART協(xié)議4

　　HART（HighwayAddressable Remote Transducer），可尋址遠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。 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)標準。

　　HART協(xié)議采用基于Bell202標準的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、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。

　　協(xié)議基本情況

　　· 4~20mA模擬信號+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：

　　物理層：

　　基于Bell 202 通信標準的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4~20mADC與數(shù)字通信兼容狀態(tài)。

　　當(dāng)?shù)刂窞?~15時，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

　　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個字符的標牌號，16個字符的描述內(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；

　　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)傳感器的標定；

　　HART通訊模式：

　　第一種“問答式”：2次/秒，適用于點對點，多站連接

　　第二種“成組模式”：3.7次/秒，只適用于點對點連接

　　HART協(xié)議的優(yōu)點：

　　· 模擬信號帶有過程控制信息，數(shù)字信號允許雙向通信；

　　· （智能化現(xiàn)場儀表+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；

　　· 通過租用電話線連接儀表，使遠方的現(xiàn)場儀表使用相對便宜的接口設(shè)備；

　　· 允許“問答式”及“成組模式”通信方式；

　　· 報文結(jié)構(gòu)靈活、規(guī)范、一次通信可攜帶4個過程變量。

　　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)場智能儀表通信。

　　· 帶HART通信功能的控制室儀表，可與多臺HART儀表進行通信并組態(tài)。

　　· 第三種方式是與PＣ機或DＣS操作站進行通信。

　　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，太大了變送器無法工作。實踐中，一般在校驗室內(nèi)都至少要串接一個250 Ω以上的標準電阻，但在現(xiàn)場中如果系統(tǒng)基本滿足負載電阻要求，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標準的儀表具有兼容性，HART儀表的開發(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題，HART采用了設(shè)備描述語言（DDL）。