UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIÍVAR ... - ingeborda.com.aringeborda.com.ar/biblioteca/Biblioteca...

i

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIÍVAR

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

PROTOCOLO DE COMUNICACION HART

Para los instrumentos de FLOTECH S.A.

POR

Erika Febres Urdaneta

Proyecto de Pasantía

Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

Como requisito Parcial para Optar al Titulo de

Ingeniero Electrónico

Sartenejas, Febrero 2001

ii

PROTOCOLO DE COMUNICACION HART

Para los instrumentos de FLOTECH S.A.

por

Erika Febres Urdaneta

Tutor Académico: Guillermo Villegas.

Tutor Industrial: Gerardo Febres.

RESUMEN

El actual proceso de digitalización de la información hace necesaria la existencia de equipos de

campo para industrias que sean capaces de transmitir y recibir datos. En la era analógica una de las

opciones eran lazos de corriente de 4 – 20 mA que indicaban el valor de la única variable que era

posible transmitir. Pero en la actualidad se hace indispensable la comunicación digital; para ello

Fisher Rosemount ideó el protocolo HART, que no solo permite la comunicación de los dispositivos

de modo digital, sino también utiliza la instalación de cables de la antigua configuración. Este

protocolo se basa en la transmisión de una señal de corrimiento en frecuencia de 1200Hz y 2200Hz,

superpuesta en la señal analógica, que viaja del maestro hacia el esclavo y viceversa mediante una

estructura de mensajes digitales estándar, lo que permite interconectar equipos de diversos fabricantes

a un mismo dispositivo maestro.

La empresa Flotech S.A., fabricante de equipos medidores de flujo y de nivel desea

implementar el protocolo de comunicación Hart. Para poder implementar ésta capacidad a sus

equipos, es necesario el diseño de un módulo de digital que se conecte al módulo analógico (sensor).

Este módulo consta de una parte física (hardware) y de una parte no tangible (software), que se

integran al utilizar el microcontrolador TIGER de Wilke Technologies (firmware). En este

microcontrolador se almacenan todos los datos que el protocolo Hart requiere, además de ser utilizado

para controlar el módem, el generador del lazo de corriente, el conversor analógico digital y múltiples

interruptores que regulan o calibran los instrumentos. El resultado, un instrumento que se comunica a

un PC mediante un programa que genera y recibe mensajes de acuerdo al formato Hart.

iii

A mi Familia

Gabriel, Lia, Yuribé y Deborah

Mi hermano Pedro Rondón

iv

AGRADECIMIENTOS

A mi Tutor Académico Guillermo Villegas, por sus enseñanzas y diferentes propuestas de

solución a mis problemas, no solo durante la pasantía, sino a lo largo de mis años de estudios.

A mi Padre Gabriel Febres, por el apoyo y ayuda en el diseño del circuito e implementación

del proyecto en todo momento, a pesar de la distancia.

A mi familia en general, por darme fuerzas para culminar mis estudios y el proyecto de

pasantía, al recordarme cada día que debía esforzarme y concentrarme en mi trabajo, obviando todo

aquello ajeno a éste.

A mi hermano Pedro, ya que sin él no lo hubiese logrado. Por todo su ingenio, del cual durante

años e aprendido miles de cosas útiles al momento de diseñar y ensamblar tanto programas como

circuitos.

A mi novio Jonathan Bartolotta, por toda su ayuda cuando el programa no quería funcionar, el

apoyo moral en las noches sin fin y su cariño siempre presente.

v

INDICE GENERAL

CAPITULO 1.- INTRODUCCIÓN……………………………………………...1

1.1.-Objetivo general…………………………………………………………………2

1.2.-Objetivos específicos…………………………………………………………..2

1.3.- Descripción de los capítulos…………………………………………………3

CAPITULO 2.- PROTOCOLO HART…………………………………………5

2.1- Breve introducción al protocolo Hart………………………………………..5

2.1.1.- ¿Qué es un dispositivo inteligente?………………………………….5

2.1.2.- Leyendo información mediante comunicación digital………………7

2.1.3.- Comunicación multipunto……………………………………………..7

2.1.4.- El protocolo Hart……………………………………………………….8

2.1.5.- Los comandos del protocolo Hart…………………………………….10

2.2- La señal física……………………...…………………………………………….10

2.2.1.- Codificación por desplazamiento en frecuencia……………………11

2.2.2.- Los niveles de la señal………………………………………………...11

2.2.3.- El lazo de conexión…………………………………………………….12

2.2.4.- Conexión de múltiples dispositivos…………………………………..13

vi

2.3- Procedimiento de transacciones, código y estructura del mensaje…...13

2.3.1.- Procedimiento de transacción………………………………………..14

2.3.2.- El modo de ráfagas (BURST Mode)…………………………………14

2.3.3.- Codificación de caracteres……………………………………………15

2.3.4.- Formato de mensaje…………………………………………………..15

2.3.5.- Ejemplo de transacciones………………………………………….…19

2.4- Comandos y datos respectivos, bytes de estado…………………………22

2.4.1.- Comandos universales………………………………………………..22

2.4.2.- Comandos de practica común………………………………………..24

2.4.3.- Comandos específicos de dispositivo……………………………….25

2.4.4.- Elementos enumerados……………………………………………….25

2.4.5.- Bytes de estado………………………………………………………..26

CAPITULO 3.- DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA……………………………..28

3.1- ¿ Cómo diseñar e implementar el protocolo HART?……………………..28

3.2- Hardware, materiales y fabricación………………………………………….29

3.2.1.- Microcontrolador ………………………………………………………30

3.2.2.- Desarrollo de la tarjeta digital ………………………………………..33

3.2.3.- El Módem Hart ……………………..………………………………….36

3.2.4.- Descripción del modulador HT2012………………………………….39

vii

3.3.- Programas del microcontrolador ( firmware)……………………………..42

3.3.1.- Recepción y Análisis de Datos……………………………………….43

3.3.2.- Respuesta al Comando……………………………………………….44

3.3.3- Transformación de valores…………………………………………….45

3.3.4- Codificación o compresión de caracteres……………………………45

3.3.5- Conversión Analógico a Digital………………………………………..45

3.4.- Programa para el maestro o interfaz para el usuario…………………….47

CAPITULO 4.- PRUEBAS Y RESULTADOS………………………………..52

4.1.- Tarjeta digital…………………………………………………………………….52

4.2.- Interfaz para el usuario ………………………………………………………..53

4.3- Sistema interconectado……………..…………………………………………56

CAPITULO 5.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………59

5.1.- Conclusiones……………………………………………………………………59

5.2.- Recomendaciones……………………………………………………………...60

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………………….61

ANEXOS…………………………………………………………………………62

viii

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Sistema de comunicación mediante protocolo Hart……………………………………….2

Figura 2.1 Conexión punto a punto……………………………………………………………….…...6

Figura 2.2 Conexión multipunto……………………………………………………………………….8

Figura 2.3 La señal HART……………………………………………………………………………9

Figura 2.4 Estructura del mensaje HART……………………………………………………………10

Figura 2.5 Lazo de conexión simple…………………………………………………………………12

Figura 2.6 Cadena de bits de caracteres……………………………………………………………...15

Figura 2.7 Formato de los mensajes Hart…………………………………………………………….15

Figura 2.8 Estructura del formato corto………………………………………………………………17

Figura 2.9 Estructura del formato largo……………………………………………………………...18

Figura 2.10 Transacción en formato corto…………………………………………………………...20

Figura 2.11 Transacción en formato largo……………………………………………………………21

Figura 3.1 Diagrama del sistema a realizar…………………………………………………………..28

Figura 3.2 Diagrama de la tarjeta digital……………………………………………………………..30

Figura 3.3 Microcontrolador TIGRE…………………………………………………………………30

Figura 3.4 Bloque interno del LTC1298……………………………………………………………..34

Figura 3.5 Conexión del generador del lazo de corriente AD694……………………………………35

Figura 3.6 Elementos de la tarjeta impresa del circuito digital………………………………………36

Figura 3.7 Circuito completo del Módem Hart………………………………………………………37

Figura 3.8 Filtro de Entrada del Módem……………………………………………………………..38

ix

Figura 3.9 Filtro de Salida del Módem……………………………………………………………….38

Figura 3.10 Reloj del módem………………………………………………………………………...39

Figura 3.11 Módem Hart HT2012……………………………………..……….………………….…40

Figura 3.12 Primeros circuitos impresos para el módem……………….……………………………41

Figura 3.13 Conexión del módem Hart a la tarjeta digital…………………………………………...41

Figura 3.14 Estructura del firmware………………………………………………………………….42

Figura 3.15 Interfaz gráfica del programa maestro…………………………………………………..48

Figura 4.1 Tarjeta digital con todos sus elementos………………………………………………..…52

Figura 4.2 Interfaz gráfica del maestro……………………………………………………………….53

Figura 4.3 Interfaz una vez presionado COMPONER……………………………………………….54

Figura 4.4 Interfaz después de presionar SEND……………………………………….……………..55

Figura 4.5 Interfaz con los resultados del proceso de comunicación………………………………...56

Figura 4.6 Sistema con capacidad de manejar el protocolo Hart………………...………………58

x

INDICE DE TABLAS

Tabla 2.1 Niveles de la señal Hart…………………………………………………………………...11

Tabla 2.2 Especificaciones de tiempo en modo de ráfaga. …………………………………………..15

Tabla 2.3 Valores del byte de inicio………………………………………………………………….17

Tabla 2.4 Comandos universales……………………………………………………………………..22

Tabla 2.5 Comandos de práctica común……………………………………………………………...24

Tabla 2.6 Variables enumeradas……………………………………………………………………...26

Tabla 3.1 Especificaciones de los pines del microcontrolador………………………………….32

CAPITULO 1.-INTRODUCCIÓN

En las industrias con equipos de campo, como las petroleras y procesadoras, es necesaria la

lectura permanente de variables diversas de sus estanques, tuberías o máquinas para evitar pérdidas

del producto, accidentes o simplemente una falta de eficiencia en la producción. Estas mediciones en

un principio eran manuales, y se requería de un vasto personal para poder controlar toda la fabrica,

planta de producción o campo de extracción. Con el tiempo, y el desarrollo de la tecnología se

crearon sensores electrónicos que permitían la lectura de las variables de un modo más conveniente, e

incluso la transmisión de las mismas a un equipo central. Una de estas formas de comunicación es el

lazo de 4 a 20 mA, un lazo de corriente que al cual dependiendo del valor medido por el sensor, se le

asigna un nivel de corriente en mA, es decir, 4 mA equivaldría al menor valor posible de la variable

medida y 20 mA al máximo. En la actualidad, el mundo se ve afectado por la digitalización de la

información y estos procedimientos y medios de medición no se ven excluidos de la misma. Con el

tiempo se han implementado en el campo e industrias otros métodos para poder realizar las

mediciones de modo remoto, sin la necesidad de ir al campo, y que a su vez permitan la transmisión

de una información detallada del equipo y sus funciones. Una de las actuales formas de comunicar

dispositivos es mediante el protocolo Hart, ideado por Fisher Rosemount.

El protocolo HART es actualmente propiedad de la Fundación HART, y se basa en la parte

física, en una señal digital de 0’s y 1’s , modulada en codificación por desplazamiento en frecuencia

de 2200Hz y 1200Hz respectivamente, y en la parte no tangible, en un mensaje de bytes o

información estructurado de modo que pueda ser comprendido e implementado por diversos

fabricantes de equipos de medición. Este protocolo fue diseñado tomando como referencia el modelo

OSI.

La empresa Flotech S.A., es una empresa venezolana con años de funcionamiento, que presta

servicios a una de las principales extractoras de petróleo del país, PDVSA (Petróleos de Venezuela

S.A.). Siendo Flotech S.A. una empresa que pretende implementar en sus equipos todos los avances

tecnológicos posibles, y bajo petición de PDVSA, de equipos que trabajaran con el protocolo; se hace

necesaria la creación de un nuevo equipo digital con capacidad HART.

Los dispositivos de la empresa se fabricaran de modo que el sensor contenga dos tarjetas

impresas, una de ellas analógica (que no ha sido aún diseñada) y la otra digital. El diseño de la tarjeta

digital es el objetivo principal de este proyecto, sin embargo no es el único, ya que para poder realizar

2

pruebas e incluso para llevar acabo el proceso de diseño es necesaria una interfaz (software) para el

terminal maestro, que en este caso será un computador personal. Para ilustrar esto el sistema se

muestra en la figura 1.1.

Figura 1.1 Sistema de comunicación mediante protocolo Hart

Para poder desarrollar este proyecto se requieren conocimientos a fondo del protocolo HART

y de los materiales o equipos que la empresa pretende utilizar para la implementación de esta

capacidad de comunicación. En el siguiente libro, encontrará toda la información necesaria, además

de las diferentes actividades realizadas para llevar acabo este proyecto: Implementar el Protocolo de

Comunicación HART en los instrumentos de FLOTECH S.A.

Sección 1.1.- Objetivo general.

Realizar el diseño de la tarjeta digital y la interfaz de usuario del maestro para introducir el

protocolo de comunicación HART en los dispositivos o medidores de nivel y flujo de la empresa

venezolana Flotech S.A.

Sección 1.2.- Objetivos específicos

• Diseñar e implementar un circuito que module la señal por desplazamiento en

frecuencia que establece el protocolo Hart para ser incluido en los equipos o en el

circuito impreso digital, en su defecto, diseñar un circuito impreso que integre todos los

componentes digitales de los sensores (hardware).

• Diseñar un programa (firmware) para el microcontrolador TIGER de Wilke

Technologies, utilizado en los equipos de Flotech S.A. que se encargue de procesar los

mensajes de un dispositivo maestro mediante el uso del protocolo Hart.

3

• Diseñar un programa (software) para el maestro, en este caso un computador personal,

que se utilice en la empresa para calibrar y probar los equipos que se venderán.

Sección 1.3.- Descripción de los Capítulos

• El capítulo 2 se basa en una visión a fondo de lo que es el protocolo HART. Este se

estructura en secciones que van de descripciones generales del protocolo, como modo

de conexión, tipo de transmisión, que tipo de dispositivos pueden hacer uso del

protocolo, hasta especificaciones de la estructura de los mensajes para cada comando

que transmite el maestro, especificaciones de tiempo de retardo de las respuestas,

definición del significado de cada bit en campos de la estructura como el de dirección,

etc. La primera sección es un resumen general de las ventajas que presenta el protocolo,

y las siguientes se presentan de acuerdo al orden de las capas del modelo de referencia,

el modelo OSI. La segunda sección corresponde a la capa física, capa 1. La tercera

sección corresponde a la capa 2 del modelo OSI, la capa de enlace y finalmente la

última sección se referiría a la capa 7 del modelo OSI o la capa de aplicación, en la cual

se describe en detalle la estructura de los datos.

• El capítulo 3 describe el diseño del circuito digital, del programa del microcontrolador o

el firmware, y del programa del computador. La primera sección describe el hardware:

los circuitos integrados utilizados, el diseño del circuito modulador, el circuito

generador del lazo de corriente, el conversor análogo digital y la interconexión con el

microcontrolador y el computador personal. Luego, en la segunda sección, se menciona

las diferentes rutinas del microcontrolador o firmware, se describe el método de

desarrollo y las funciones de cada una de estas. Finalmente, la creación y el

funcionamiento de la interfaz gráfica para el terminal maestro en el PC (personal

computer ,computador personal).

• En el capítulo 4 encontrará los resultados del proyecto, una descripción general del

producto final obtenido al haber concluido el diseño y las pruebas que se realizaron para

verificar su funcionamiento. Se observa el sistema, con las conexiones pertinentes y las

respuestas que se visualizan en la interfaz del terminal maestro.

4

• El capítulo 5 incluye las conclusiones y recomendaciones, las cuales sirven para informar

al lector de mejoras futuras sobre el diseño, dado que el producto final es un prototipo y

no un diseño para producción masiva.

5

CAPITULO 2.- PROTOCOLO HART

En el siguiente capítulo encontrará toda la información necesaria, en el ámbito de diseño,

sobre el protocolo HART. En el ámbito de diseño implica que algunas de las secciones son muy

específicas.

Sección 2.1.- Instrumentos Inteligentes y el protocolo HART.

En la presente sección encontrará los conceptos principales de comunicación digital en los

dispositivos de campo, del modo implementado por Fisher-Rosemount en su familia inteligente de

transmisores utilizando el protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer). Se basa en

una vista general del protocolo, en que tipo de dispositivos se implementa, como mejora la lectura de

las variables de los sensores el uso de este protocolo, que tipos de conexiones pueden ser utilizadas,

que es el protocolo en sí (descripción general) y cuales son los comandos de los que se dispone al

utilizar HART.

2.1.1.-¿Qué es un dispositivo Inteligente?

El adjetivo inteligente, aplicado a un dispositivo de campo, se utiliza para describir cualquier

dispositivo que incluye un microprocesador. Típicamente esto implicaría funcionalidad extra, por

encima de lo que proveen dispositivos similares pero no basados en microprocesadores. Por ejemplo,

un transmisor inteligente puede proporcionar mayor precisión al compensar mediante cálculos la no-

linealidad, o la dependencia de temperatura de un sensor. Podría operar con una variedad de sensores

de diferentes tipos. Puede combinar dos medidas en una sola (por ejemplo volumen de flujo y

temperatura entre flujo de masa). O hasta podría permitir calibración y re-establecimiento de rangos.

Frecuentemente proveería diagnósticos internos, y pruebas automáticas, para simplificar los

procedimientos de mantenimiento. Para mayor información sobre las ventajas y aplicaciones del

protocolo refiérase al anexo 1.

Además de ofrecer un mejor rendimiento, ésta extra funcionalidad puede reducir el

procesamiento requerido por el sistema de control, y también puede resultar en la reducción de varios

instrumentos a un simple modelo, con ventajas de fabricación y manejo de inventario.

6

Para hacer uso de estas ventajas, los dispositivos iinntteelliiggeenntteess requieren de un plug-in o

configurador, una caja con una cantidad de botones y una pantalla LCD (liquid cristal display) para

que el usuario pueda instalar y controlar el instrumento.

El próximo paso por lógica sería permitir que el instrumento y el panel de configuración

estuviesen separados por largas distancias, utilizando comunicaciones digitales seriales bien definidas

entre ellos. Luego se necesitaría incluir esta comunicación en los dos cables ya existentes para

controlar el dispositivo desde el cuarto de control. Esto es lo que nos lleva al uso actual de la palabra

inteligente según Fisher Rosemount, para describir dispositivos de campo en los cuales la señal

analógica, la señal digital y la alimentación del equipo, son transmitidas por el mismo par de cables.

Con tales instrumentos, se obtienen las ventajas de las comunicaciones digitales, mientras se

mantiene la compatibilidad con la señal analógica de entrada requerida por los sistemas actuales.

Ahora, utilizando comunicación digital, además de instalar y controlar de un modo más sencillo el

dispositivo de campo, es posible leer la variable medida y muchos otros parámetros a través de

conexiones punto a punto, como la que se presenta en la figura 2.1.

Figura 2.1 Conexión punto a punto

Conexión punto a punto se utiliza para referirse a casos en los que solo existe un maestro y un

esclavo, o un transmisor y un receptor. Entre los demás parámetros que se pueden incluir, se

encuentra la posibilidad de transmitir hasta cuatro variables, lo cual representa una ventaja ante

sistemas de transmisión de una única variable, entremos más en detalle en cuanto a este aspecto.

7

2.1.2.-Leyendo información mediante comunicación digital

Al utilizar comunicación digital se vuelve posible, para un simple instrumento, proporcionar

más de una medición o una variable (por ejemplo un medidor de flujo másico tipo Coriolis puede

transmitir taza de flujo másico, temperatura del proceso, densidad y flujo total en un simple mensaje).

La comunicación digital también hace que valga la pena mantener información adicional en el

instrumento de campo, para ser leída cuando sea necesario. Esto conlleva a una serie de posibilidades.

Nos puede dar información relativa al proceso como el identificador o etiqueta del dispositivo (tag),

una descripción de la medición, las unidades asociadas y rango de calibración del instrumento. O

puede dar información sobre el dispositivo como tal, actuando como una etiqueta electrónica. Más

allá, puede ser utilizado para mantener historias de actividades relacionadas con mantenimiento como

la última fecha de calibración. La administración del sistema de instrumentos automatizados se hace

posible, utilizando información al día del dispositivo mismo.

Una manera más eficaz o eficiente de transmitir los datos sería aumentar el número de

dispositivos de campo conectados a un maestro, de modo que transite mayor información por el lazo.

Sin embargo, al conservar la medición en mA de la variable primaria, la conexión punto a punto es la

única solución , pero si se desea múltiples dispositivos se puede utilizar la conexión multipunto.

2.1.3.-Comunicación multipunto

Si una variable medida va a ser leída por comunicación digital, la señal analógica de 4-20mA

ya no es requerida. Se hace posible conectar múltiples dispositivos de campo en paralelo a un simple

par de cables, y comunicarse con cada uno por turnos para leer sus variables (u otros datos). Para

hacer esto, cada dispositivo debe tener una dirección, a la cual responderá, y cada petición del sistema

de control o maestro debe incluir dicha dirección. Un esquema de este tipo de conexión se puede

observar en la figura 2.2.

Esta conexión multipunto puede reducir de modo significativo los costos de instalación de

cableado de los equipos, y puede ser de valor en sistemas de monitoreo. Note, sin embargo, que el

tiempo entre mediciones de las variables de un mismo equipo aumentará. Ya que antes por un solo

par de cables transitaba la señal de un sensor, pero en el caso de multipunto de 2 a 15 señales

diferentes deberán turnarse el medio.

8

Figura 2.2 Conexión multipunto

2.1.4.-El protocolo HART

La aplicación de estas mejoras a la gran gama de instrumentos y dispositivos de campo

existentes, hacen que sea necesaria la implementación o definición de un estándar. Esto incluye

especificaciones desde la parte física hasta la forma de transmisión, procedimientos de transacciones,

estructura del mensaje, formato de los datos, y un conjunto de comandos que realicen dichas

funciones.

El protocolo HART fue desarrollado por Rosemount INC. Con este propósito. HART es un

acrónimo para Highway Addressable Remote Transducer. Para difundir el uso de comunicación

digital en los dispositivos de campo, Rosemount Inc. a transferido todos sus derechos sobre el

protocolo HART a la Fundación de Comunicación HART (HCF, siglas en ingles) y está disponible

para el uso de cualquier compañía o persona.

A modo de resumen, HART utiliza una señal estándar de BELL, 202 codificada por

desplazamiento en frecuencia, para comunicar a 1200 baudios, superpuesta sobre la señal de medición

de 4-20mA. Teniendo un promedio de cero, la señal codificada por desplazamiento en frecuencia no

interfiere con la señal analógica. Para ilustrar esto observe la siguiente figura 2.3.

9

Figura 2.3 La señal HART.

Hart es un protocolo maestro-esclavo (un dispositivo de campo solo responde cuando se le a

pedido algo previamente). Puede haber hasta dos maestros. Hasta 15 dispositivos esclavos se pueden

conectar en configuración multipunto.

Cada mensaje incluye las direcciones de su fuente y destino, para asegurarse de que es recibido

por el dispositivo correcto, y tiene una suma de verificación (checksum) para poder detectar cualquier

corrupción del mensaje. El estado del dispositivo de campo está incluido en cada mensaje de

respuesta, indicando su estado de operación correcto. Puede o no haber información o datos incluidos

en el mensaje, dependiendo del comando en particular. Dos o tres transacciones de mensajes se

pueden realizar cada segundo.

10

Figura 2.4 Estructura del mensaje HART

2.1.5.- Los comandos del protocolo HART:

Para llevar a cabo diferentes funciones preestablecidas en un sensor, el protocolo hart utiliza los

comandos, el identificador de la función que se pretende realizar. Los comandos del protocolo HART

se definen en tres grupos. El primer grupo es el de comandos universales, y provee funciones que

están implementadas en todos los dispositivos de campo. El segundo grupo, comandos de práctica

común, provee funciones comunes a muchos dispositivos de campo, pero no todos. Si un dispositivo

implementa funciones que estos comandos describen, deberán ser invocadas mediante el número de

comando asignado por la Fundación Hart . El tercer grupo, comandos específicos de dispositivo

(anteriormente llamados específicos de transmisor), provee funciones que son mas o menos únicas

para un dispositivo particular.

Sección 2.2.- La Señal Física.

La siguiente sección se refiere a la capa 1 del modelo de protocolos OSI, la capa física. Se basa

en el procedimiento de transacción de datos (entre los cuales existe un modo exclusivo de operación

que es el modo de ráfagas), a la estructura de los mensajes, describiendo con lujo de detalle el

contenido de cada byte. El preámbulo, el byte de inicio, el o los bytes de dirección (ya que se utilizan

dos formatos diferentes de acuerdo a las distintas revisiones de HART), el byte de comando, el byte

de cuenta de bytes (valga la redundancia), los bytes de datos, los bytes de estado y el de suma de

verificación o checksum; además de las distintas codificaciones o compresiones que se realizan para

poder transmitir mayor cantidad de información por mensaje.

11

2.2.1.-Modulación por desplazamiento o corrimiento en frecuencia:

Como ya se mencionó en la introducción (capítulo 1), HART utiliza modulación por

desplazamiento en frecuencia para superponer la señal digital al lazo de corriente analógica de 4-20

mA que conecta la central al dispositivo en el campo.

Estas señales sinusoidales son superpuestas en la señal DC a un nivel bajo. El promedio de las

señales sinusoidales es cero, por lo que al ser incluida en la señal analógica 4-20mA no altera la

misma, sin importar lo que la señal digital pueda contener. La tasa de transmisión de datos es de

1200baudios. Eso quiere decir, que los dígitos binarios se transmiten a una tasa de 1200 bits por

segundo. Esto significa que el 1 es representado por un ciclo de 1200Hz, mientras que el cero es

representado por aproximadamente dos ciclos de 2200Hz.

Dichas frecuencias cumplen con el estándar “Bell 202”, uno de los muchos utilizados para

transmitir información digital vía telefónica.

2.2.2.-Los niveles de la señal

El protocolo Hart tiene como especificación, que los maestros deben transmitir una señal de

voltaje, sin embargo el esclavo debe transmitir una señal de corriente. La señal de corriente se

convierte a señal de voltaje mediante una pequeña resistencia de carga, de modo que todos los

dispositivos utilizan receptores pasivos. Los niveles pico-pico de la señal se muestran en la tabla 2.1.

La forma de onda es idealmente sinusoidal, sin embargo se acepta de forma trapezoidal, pero no una

señal cuadrada.

Señal transmitida por el maestro min 400mV p-pmax 600mV p-p

Señal transmitida por el esclavo min 0.8mA p-pmax 1.2mA p-p

Señal mínima del esclavo, convertida por una carga de 230 ohms 180mV p-pSeñal mínima del esclavo, convertida por una carga de 1100 ohms 1320mV p-pSensitividad del receptor(debe recibir correctamente) 120 mV to 2.0 V p-pSensitividad del receptor(debe omitir) 80 mV p-p

Tabla 2.1 Niveles de la señal HART

La especificación de sensitividad del dispositivo permite cierta atenuación debida a la

resistividad del cable u otros efectos. Las especificaciones de umbral dependen de la ocurrencia de

interferencia de señales externas, y previene la interferencia entre canal (crosstalk), de otras señales

12

HART que se transmitan por cables adyacentes, o sistemas que no se encuentren bien conectados a

tierra o sistemas de alimentación.

2.2.3.-El lazo de conexión

La conexión convencional para un transmisor alimentado por lazo de corriente de dos hilos se

muestra en la figura 2.5. En la practica, los tres elementos (la fuente de poder, el transmisor TX y la

resistencia de carga, RL) se pueden conectar en cualquier orden, ya que se conectan en serie, y

cualquier punto del circuito puede ir a tierra. Las especificaciones de Hart permiten resistencias de

carga de 230 a 1100 ohms.

Figura 2.5 Lazo de conexión simple

La señal HART debe ser introducida y leída del lazo de corriente. La fuente de poder está casi

en corto circuito para las frecuencias de la señal Hart, por lo que dispositivos secundarios (como el

segundo maestro) no pueden ser conectados directamente al lazo, se deben conectar en paralelo al

transmisor o a la resistencia de carga, en la figura 2.5, entre los puntos A y B. Un equipo con

protocolo de comunicación Hart no debe introducir ninguna carga DC a la línea. Para asegurarse de

que así sea se debe conectar al lazo mediante un condensador de 5µF o más.

Algunos de los dispositivos de campo con lazo de 4-20mA son activos, es decir, estos son los

que alimentan el lazo. Con este tipo de dispositivos no hace falta la fuente de poder. En este caso en la

conexión se elimina la fuente.

13

2.2.4.-Conexión de múltiples dispositivos

Múltiples dispositivos pueden ser conectados al mismo maestro, ya que en los mensajes se

incluye la dirección de los dispositivos que se comunican. Al asignarle a los dispositivos direcciones

diferentes, una cantidad máxima de 15 dispositivos pueden ser conectados a un solo lazo. Las

consecuencias de este tipo de conexión son dos principalmente, retardo en la comunicación entre

maestro y dispositivo y pérdida de la señal analógica. Debido a la existencia de este tipo de

conexiones, existe la dirección de multipunto, que se asigna a cada dispositivo que este conectado en

paralelo, comenzando del cero al quince.

Entre otras de las especificaciones que requiere el protocolo Hart se encuentra la definición de

las cargas respectivas de los equipos (maestro primario resistencia de recepción 230-1100ohm,

resistencia de transmisión 700 ohms máximo). El límite de los 65ms, que hace que la frecuencia de

corte sea de 2500Hz (para 3dB de atenuación). Con lo anterior se impide retardos de la señal y de las

frecuencias que la componen. Especificaciones para el cableado, puestas a tierra, fuente de poder,

ancho de banda de la señal analógica, y más.

Sin embargo, estas especificaciones no son necesarias para el desarrollo del proyecto, puesto

que el equipo al que se incluirá el protocolo HART será incluido en una red ya existente, por

supuesto, deberá cumplir con las normas para esclavos que establezca el protocolo.

Sección 2.3.- Procedimiento de transacciones, código y estructura del mensaje

En esta sección se describe de modo más detallado los comandos del protocolo, los comandos

universales, los comandos de práctica común y los comandos de dispositivo específico. Incluyendo

los tipos de datos que corresponden a cada uno de estos. Los bytes de estado son aquellos que indican

errores en la comunicación, en esta sección se da a conocer el valor de estos y su significado.

Se profundiza sobre la transacción de datos entre dispositivos Hart y la estructura de los

mensajes, esto corresponde a la capa 2 o nivel 2 del protocolo de referencia o modelo OSI.

Hart, como se ha mencionado a lo largo de los capítulos anteriores, es un protocolo de maestro-

esclavo. Esto significa que cada transacción es originada por el maestro, el dispositivo de campo o

esclavo solo responde cuando recibe un comando con su dirección. En la respuesta del esclavo se

incluye un comando recibido, y puede que contenga los datos requeridos por el maestro. En el caso de

14

que exista un maestro secundario, estos tiene direcciones diferentes, por lo cual pueden distinguir si la

respuesta es para el principal o secundario.

2.3.1.- Procedimiento de transacción:

HART es un protocolo Half-Duplex, con lo cual se quiere decir que al terminar cada mensaje,

la portadora debe ser desactivada para permitir que la otra estación transmita. Las reglas de tiempo de

la portadora establecen que la portadora debe ser activada no más del tiempo de 5 bits antes del inicio

del mensaje (preámbulo) y ser desactivada no más del mismo tiempo después de la transmisión del

último byte del mensaje (la suma de verificación).

El maestro es el responsable de las transacciones de mensajes. Si no hay respuesta a un

comando dentro de cierto tiempo, el maestro debe retransmitir el mensaje. Después de unos cuantos

intentos debe abandonar la transacción y notificar el problema. La longitud y retardo típicos de los

mensajes, permiten dos transacciones por segundo.

2.3.2.-El modo ráfaga

Para lograr una tasa de transmisión de datos mayor, algunos dispositivos utilizan el modo

ráfaga. Cuando un dispositivo se encuentra en este modo envía un mensaje repetidas veces. Este

modo se activa y desactiva mediante los comandos especiales #107, #108 y #109 (si se implementa el

modo ráfaga, los comandos básicos son #1 y #3, los demás son opcionales). Existe una pequeña pausa

entre mensaje y mensaje, para permitir que el maestro envíe la señal de desactivación, o para iniciar

cualquier otra transacción simple.

Este modo solo funciona para la configuración punto a punto, y se pueden enviar más de tres

mensajes por segundo. En la tabla 2.2 se encuentran las especificaciones de tiempo para los mensajes

en modo de ráfaga.

15

Tabla 2.2 Especificaciones de tiempo en modo de ráfaga

2.3.3.-Codificación de caracteres:

Los mensajes de Hart son codificados como series de 8 bits, es decir bytes. Estos se transmiten

de modo serial, utilizando una UART convencional (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

para serializar cada byte, añadiendo un bit de inicio, un bit de paridad impar y un bit de fin, esto

permite que la UART receptora identifique el inicio de cada caracter, y para detectar errores en la

transmisión debidos a ruido u otro tipo de interferencia. La cadena completa de bits se muestra en la

siguiente figura 2.6.

Figura 2.6 Cadena de bits de caracteres

El bit menos significativo, D0 se envía primero. La mayoría de los protocolos seriales permiten

pausas entre los caracteres, debido a las especificaciones de tiempo de Hart esto no es posible, de

ocurrir dicho retraso se asume que la comunicación no fue establecida.

2.3.4.- Formato del mensaje:

El mensaje tiene un formato como el observado en la figura 2.7.

Figura 2.7 Formato de los mensajes Hart

Dispositivo y tipo del mensaje Intervalo tEl maestro primario envía un comando >= 305 msEl maestro secundario envía un comando >= 380 ms después de que la línea está desocupadaEsclavo en modo BURST envía mensaje >= 305 msMaestro sincronizado envía comando 20* - 75 ms después de la respuesta al otro maestro

>= 75 ms después de la respuesta a si mismoEsclavo, modo normal, responde comando 0-256 ms después del comandoEsclavo en modo BURST envía mensaje 75-256 ms después de su mensaje anterior

0-20 ms después de que responde al comandoinicial "activar el modo BURST", después de la respuesta a otro comando.

16

Existen el formato largo y el formato corto. Los primeros instrumentos Hart (inclusive la

revisión 4) siempre utilizaron el formato corto. En este formato, la dirección del esclavo un byte, de

valor cero, para configuración punto-punto o del 0 al 15 para configuración multipunto. Esta corta

dirección se denomina dirección multipunto. La revisión 5 introduce el formato largo. En este, la

dirección del esclavo es un número de identificación único, un número de 38 bits derivado del código

del fabricante, el código del tipo de dispositivo y el número de identificación del dispositivo. Este

formato impide que los esclavos tomen mensajes que no le corresponden. De un modo estricto, el

identificador único, no es único, pueden haber hasta cuatro veces el mismo número, ya que del código

del fabricante solo se toman 6 bits, cuando el número en realidad consta de 8 bits.

La mayoría de los dispositivos maestros deben incluir ambos formatos en su totalidad, de modo

que puedan trabajar correctamente con los dispositivos ya existentes así como con los nuevos. La

revisión 5 establece que todos los dispositivos deben implementar el comando #0 ( leer identificación

única) en ambos formatos del mensaje. Un maestro normalmente utilizará el comando # 0 para la

primera conexión con el dispositivo, ya que en ese momento el número único de identificación no se

conoce, sin embargo como el mensaje también incluye el nivel de revisión de HART, el maestro sabrá

que formato deberá utilizar.

El preámbulo:

El preámbulo consiste de 5 a 20 bytes con caracteres hexadecimales FF (todos 1’s). Esto

permite que el receptor sincronice la frecuencia de la señal y la cadena de caracteres que recibe,

después de la detección inicial del mensaje Hart. Para el primer intento y cualquier intento sucesivo

de comunicación, se deberían utilizar 20 bytes de preámbulo , para tener la mayor probabilidad de

éxito. La respuesta al comando #0 le dice al maestro cuantos caracteres de preámbulo le gustaría

recibir al dispositivo; el maestro puede utilizar el comando #59 para indicarle cuantos bytes de

preámbulo debe incluir en la respuesta.

El caracter de inicio (start byte):

El caracter de inicio en Hart tiene diversos valores posibles, indicando cual formato está siendo

utilizado, la fuente del mensaje, y si es o no un mensaje tipo ráfaga. Estos se muestran en la tabla 2.3.

17

Tipo de mensaje Formato corto Formato largoMaestro a esclavo 2 82Esclavo a maestro 6 86Mensaje BURST del esclavo 1 81

Tabla 2.3 Valores del byte de inicio

Cuando están en espera de un mensaje, los receptores se encuentran en la búsqueda de estos

caracteres , como el primer caracter después de por lo menos dos caracteres FF, para indicar el inicio

del mensaje. Estos mensajes se pueden identificar completamente con el contenido de los bits 0,1,2 y

7. Se ha propuesto que para mejoras futuras se utilicen los bits 5 y 6 del caracter de inicio para

indicar la presencia de bytes extra entre la dirección y el comando.

La dirección (address bytes):

El campo de dirección contiene tanto la dirección del maestro como la del esclavo del mensaje

enviado. Esta contenida en un byte, para el formato corto y en 5 bytes para el formato largo. El bit

más significativo de la dirección, indica si el maestro es el primario (1) o el secundario (0) . Los

mensajes de tipo ráfaga son una excepción, en la cual el dispositivo alterna ambas direcciones, lo que

le da oportunidad a ambos maestros de interrumpir.

También en ambos formatos, el bit que le sigue al más significativo indica si el mensaje

proviene de un dispositivo en modo ráfaga, lo que no implica que el mensaje sea de tipo ráfaga. En el

formato corto, los dispositivos esclavos tienen direcciones de la cero a la quince. Este número se

incluye de modo binario en los 4 bits menos significativos del byte de dirección. En el formato largo,

la dirección de multipunto no es utilizada, en cambio, los 38 bits restantes de los cinco bytes del

campo de direcciones contienen el identificador único como una dirección. En las siguientes se puede

observar la estructura de las direcciones.

Figura 2.8 Estructura del formato corto

18

Figura 2.9 Estructura del formato largo

En la estructura de formato largo, si se asigna cero a todos los bits, se puede utilizar como un

mensaje de transmisión sin destinatario específico, un mensaje que sea aceptado por todos los

dispositivos; esto es solo posible si los datos en el mensaje determinan cual de los dispositivos debe

responder. Por ejemplo, el comando #11 (leer el identificador único asociado a la etiqueta)

normalmente utiliza direcciones de transmisión sin destinatario específico con una etiqueta en el

campo de datos, de modo que todos los dispositivos conectados reciben el mensaje pero solo uno de

ellos responde.

Comando:

El campo de comando contiene un entero del 0 al hexadecimal FD o al decimal 253, como su

nombre lo indica representa el comando HART. El comando recibido se incluye en la respuesta del

esclavo al ser enviada. Ya que para cada comando se define una estructura específica para el campo

de datos, y una respuesta en particular, se dedica una sección a éste campo.

Cuenta de bytes:

Este campo contiene un entero, que indica el número de bytes que forman el resto del mensaje

(eso es los campos de estado y de datos, la suma de verificación no se incluye). El dispositivo

receptor utiliza esto para identificar el byte de suma de verificación y saber cuando el mensaje está

completo. Como el campo de datos esta limitado a 25 bytes máximo, esta cuenta puede ser cualquier

número entre 0 y 27.

19

Estado:

El campo de estado también es llamado el “código de respuesta”, solo se incluye en el mensaje

de respuesta de un esclavo. Consta de dos bytes, que reportan cualquier error de comunicación, el

estado del comando recibido (como por ejemplo dispositivo ocupado o que no reconoce dicho

comando), y el estado de operación del esclavo.

Datos:

No todas las respuestas contienen datos. Para aquellas que si lo hacen, y de modo que cumplan

con las reglas de tiempo, el campo de datos no puede exceder los 25 bytes. Los datos pueden estar en

forma de enteros sin signo, números de punto flotante o cadenas de caracteres ASCII. El número de

bytes del campo de datos, y el formato de datos utilizado para cada ítem se especifican de acuerdo al

comando recibido.

Suma de verificación (checksum):

El byte de suma de verificación contiene el OR exclusivo (paridad longitudinal) de todos los

bytes que le preceden en el mensaje, comenzando con el caracter de inicio. Esto provee un segundo

chequeo para la integridad de la transmisión después del de paridad por byte. La combinación de estos

dos garantiza la detección de hasta tres errores en un mensaje y tiene buenas probabilidades de

detectar errores en más bits.

2.3.5.- Ejemplo de transacciones:

En las figuras siguientes se observan ambos formatos. En cada mensaje, los valores de los bytes

se muestran en hexadecimal, con los campos de dirección escrito de modo binario para mostrar

claramente su composición. Los nombres de cada campo se encuentran indicados con sus siglas en

ingles. START es el byte de inicio, ADDR es el byte de dirección, COM es el byte de comando,

BCNT es el byte de cuenta de bytes y el CHKS es el byte de suma de verificación.

20

Maestro a Esclavo:

Esclavo a Maestro:

Figura 2.10 Transacción en formato corto

21

Maestro a Esclavo:

Esclavo a Maestro:

Figura 2.11 Transacción en formato largo

22

Sección 2.4.- Comandos y datos respectivos, bytes de estado.

En este capítulo se describe la clasificación de los comandos de HART, y se da detalles en

cuanto a la estructura de datos utilizados en la mayoría de ellos. La codificación y significado del

campo de estado también se describe. Esto corresponde al nivel número 7 del modelo OSI, el nivel de

aplicación.

El campo de comandos como ya se mencionó en la sección anterior, contiene un entero entre 0

y 253, en decimal, que representa los comandos de Hart. Los números 31, 127, 254 y 255 se

encuentran reservados. Además, los comandos se dividen en tres grupos específicos, a saber, los

comandos universales, los comandos de práctica común y los comandos específicos del dispositivo.

2.4.1.-Los comandos universales:

Los comandos universales se encuentran entre 0 y 30. Estos proveen funciones que son

implementadas en todos los dispositivos Hart. La tabla 2.4 contiene un resumen de estas funciones, la

tabla que se encuentra en el anexo 2 los describe de un modo mucho más detallado.

Comandos Función0,11 Identificar dispositivo (fabricante, tipo de dispositivo, etiqueta de revisión)1,2,3 Leer variables medidas

6 Establecer dirección de escaneo.(y modo multipunto).12,13,17,18 Leer y escribir información introducida por el usuario (tag, fecha,mensaje)

14,15 Leer información del dispositivo (numero serial del sensor, límites del sensor, operación de alarma, valores del rango, función de transferencia, constante de tiempo de muestreo)

16,19 Leer y escribir número final de ensamble.

Tabla 2.4 Comando universales

Los comandos #0 y #11 (comandos universales):

Los comandos #0 y #11, son utilizados para identificar un dispositivo de campo. Desde la

revisión 5, todos los equipos utilizan el formato largo, pero el comando #0 debe ser también aceptado.

Esto permite que el maestro Hart identifique un dispositivo nuevo, sin antes saber su número de

identificación único. Los datos en la respuesta al comando #0 incluyen el código de identificación del

23

fabricante, el código del tipo de dispositivo, y el número de identificación del mismo. De estos, el

maestro puede construir el número de identificación única para ser utilizado en los mensajes

siguientes.

Los comandos #1,#2 y #3 (comandos universales):

Estos se utilizan para leer las variables medidas de diversas formas. Los comandos #2 y #3

incluyen la actual corriente de salida en mA. Como la verdadera salida analógica, estos valores en mA

representan la variable primaria (VP) solo cuando está dentro del rango configurado. No cuando el

dispositivo se encuentra en operación multipunto ni tampoco cuando la salida tiene un valor fijo,

saturado o un valor fuera del rango. Sin embargo, la VP y otras variables dinámicas retornadas con

sus respectivas unidades a través de estos comandos, no son limitadas por el rango establecido, sino

que siguen la medición del sensor. El porcentaje del rango indicado por el comando #2 también sigue

la salida del sensor fuera de los limites, de modo que se puede ir del 0 al 100 % y por encima de esto.

El comando de práctica común #61 es equivalente al comando #3, para instrumentos similares

con salidas analógicas diferentes a corriente. El comando #110 también devuelve variables dinámicas

(sin el nivel de salida de la señal analógica). El comando #33 provee una selección de hasta cuatro

variables del transmisor. Para múltiples dispositivos de salida, el comando #60 lee cualquier nivel de

señal analógica de salida seleccionada y el porcentaje del rango, y finalmente el comando #62 provee

la selección de hasta 4 niveles de salida.

El comando #6:

Este comando establece la dirección de escáner del dispositivo. Cuando se establece en cero, el

dispositivo funciona en modo punto a punto, generando una señal analógica de salida. Para cualquier

valor entre 1 y 15, el dispositivo se cambia al modo multipunto y su salida analógica se fija en 4 mA.

Los comandos #12 y #19:

Estos se utilizan para leer y escribir una selección de la información del dispositivo. Para las

revisiones menores e igual a 4, los comandos eran #4 y #5, con números de bloques utilizados para

seleccionar una particular sección de la información.

24

2.4.2.-Comandos de práctica común:

Estos se encuentran en el rango 32 a 126. Proveen funciones comunes a muchos dispositivos de

campo. Si estas funciones son implementadas en el dispositivo, estos comandos deben ser utilizados

para invocarlas. En la tabla 2.5 se observa un resumen de dichos comandos.

Los comandos de práctica común #123 y #126 no son “públicos”. Típicamente son utilizados

por los fabricantes para insertar información específica del dispositivo durante su instalación, por

ejemplo el número de identificación del dispositivo, que nunca será alterado por los usuarios, o para

comandos de lectura y escritura directa a la memoria. Frecuentemente se necesita de una clave para

acceder estos comandos.

Comandos Función

33,61,110 Leer variables medidas

34-37,44,47 Establecer parámetros de operación (rango, unidades, función de transferencia)

38 Reiniciar la bandera de "Configuración modificada".

39 Control de la EEPROM

40-42 Funciones de diagnóstico (modo de corriente fija, auto prueba, reset)

43,45-46 Ajuste de la entrada y salida analógica.

48 Leer estados adicionales.

49 Escribir el número serial del sensor.

50-56 Uso de variable del transmisor.

57-58 Información de la unidad (tag, descriptor, fecha).

59 Escribir el número de bytes de preámbulo necesitados.

60,62-70 Uso de múltiples salidas analógicas.

107-109 Control del modo ráfaga.

Tabla 2.5 Comandos de práctica común

Los comandos de práctica común, del #50 al #56 están relacionados a estas variables del

transmisor, sus sensores y rangos. En particular, en dispositivos que lo implementan, el comando #51

permite la selección de las variables del transmisor para las primeras cuatro variables. Estas pueden

ser leídas utilizando el comando #3. De otro modo, el comando #33 específica cuatro variables para

ser enviadas en un mismo mensaje.

Los transmisores multi-variables también tienen la posibilidad de más de una salida analógica.

Por definición, las salidas enumeradas 1 a 4 representan las variables dinámicas de Hart (VP, VS, VT

25

y VC) respectivamente. Los comandos de práctica común #60 y # 62 al #70 tienen que ver con la

configuración y control de estas salidas.

2.4.3.-Comandos específicos de dispositivo:

Los comandos específicos de dispositivo se encuentran en el rango 128 a 253. Sus funciones

son más o menos únicas para cada dispositivo. En la tabla del anexo 2 se muestran algunos ejemplos

de estos. En la revisión 4 y anteriores, los comandos específicos de dispositivo siempre incluían el

código del tipo de dispositivo como el primer byte del campo de datos, para asegurarse de que un

comando nunca llegara a un dispositivo no compatible. Esto fue abandonado en la revisión 5, cuando

se incluyó el número identificador único, que cumple con la misma función.

Datos:

No todas las respuestas a comandos contienen datos. Para esos que si lo hacen, se pueden

incluir un máximo de 25 bytes. Los datos pueden ser representados como:

• Enteros 8,16,24 o 32 bits sin signo.

• Números de punto flotante- Formato de IEEE 754 de punto flotante de precisión .

• Cadenas de caracteres ASCII-usualmente 4 caracteres por cada 3 bytes.

• Ítem enumerados para una lista estándar.

Si un comando no tiene éxito (indicado por error en el campo de estado), las respuestas no

deben contener datos. La respuesta a un comando exitoso siempre incluye el mismo set de variables

como las contenía el mensaje de comando; sin embargo, los valores en la respuesta son los

actualmente utilizados, tomados de la memoria del dispositivo de campo, al igual que cualquier

aproximación involucrada. El número de bytes de datos, y el formato de los mismos (de cada

elemento) son especificados para cada comando.

2.4.4.-Elementos (ítem) enumerados:

Los elementos de datos para los cuales se permite seleccionar de una lista de alternativas se

codifican como números que corresponden a cada alternativa. La tabla 2.6 muestra algunas de las

listas enumeradas estándar. Existen también muchas listas específicas para cada dispositivo.

26

Variable Valores

Identificación del fabricante 1-249, establecidos por la fundación HART

Tipo de dispositivo 0-249, establecidos por cada fabricante

Unidades 0-249: 6 = psi, 7 = bar, 32 = C, 33 = F, etc.

Función de transferencia 0 = lineal, 1= raíz cuadrada, etc.

Material 0-249 : 2 =316 acero inoxidable, 10 = PTFE, 18 = cerámica, etc.

Selección de alarma 0 = bajo, 1 = alto, 239 = mantener el último valor de la salida.

Protección a escritura 0 = no protegido contra escritura, 1 = protegido.

Control del modo RAFAGA 0 = salir del modo RAFAGA, 1 = activar el modo RÁFAGA.

Señalización física 0 = corriente BELL 202, 1 = voltaje BELL 202, 2 = RS-485.

Tabla 2.6 Variables enumeradas

Resumen de comandos:

La tabla 1 del anexo 2 contiene un listado de la estructura de los datos de los comandos

universales. Además contiene las diferencias entre los comandos para las distintas revisiones de Hart.

La tabla 2 del anexo 2 contiene los comandos de práctica común de la revisión 5.

Nota: en estas tablas los tipos de los datos se indican como sigue.

A Cadena de caracteres ASCII (empacados 4 caracteres en 3 bytes);

B Bits de banderas

D Fecha (3 bytes, día, mes, año-1900)

F Número de punto flotante (4 bytes IEEE 754)

H Enteros xxxxx yyy (xxxxx = revisión del hardware, yyy = código de señalización física)

2.4.5.-Bytes de estado:

Dos bytes de estados, también conocidos como “código de respuesta”, están incluidos en cada

mensaje de los dispositivos de campo. Entre ellos, estos dos bytes guardan tres tipos de información

diferente: errores de comunicación, respuestas a comandos, y estado del dispositivo de campo. La

tabla muestra como se hace esto con solo dos bytes. Si se detecta un error en un mensaje de salida , el

bit más significativo (bit 7) del primer byte se fija en 1, y los demás detalles del error se indican en los

bits siguientes; el segundo byte contiene puros ceros. De otra forma, si la comunicación fue exitosa, el

27

bit 7 del primer byte es cero, el resto del byte contiene la respuesta al comando, indicando cualquier

problema con el comando recibido, y el segundo byte contiene el estado del dispositivo de campo,

indicando el estado operacional del; dispositivo.

Los errores de comunicación son aquellos que podrían ser detectados por la UART. Además

informa cualquier incongruencia entre el registro de recepción y la suma de verificación. Los

comandos de respuesta (enteros en el rango de 0 a 127) se categorizan como errores o advertencias. Y

teniendo múltiples o un simple significado. La tabla muestra los rangos específicos para cada tipo.

La tabla muestra aquellos que tienen múltiples significados específicos para cada comando universal

o de práctica común.

El campo de estado de los dispositivos de campo incluye ambos, condición de falla o de

operación anormal, por lo que no implica que el dispositivo esté fallando. Muchos dispositivos

ofrecen más información de estado de la que se puede codificar en un solo byte. Para esto, el bit 4 del

campo de estado se puede colocar en 1, indicando que existe mayor información disponible; el

comando #48 puede ser entonces utilizado para leer la información adicional. Originalmente, el uso

de los bytes de datos en el comando #48 estaba libre para ser implementado por el diseñador, pero

desde la revisión 5.1 de Hart, los bytes 6 al 13 deben tener significado específico, indicando los

modos de operación y el estado de las múltiples salidas analógicas.

28

CAPITULO 3 .- DESCRIPCION DEL SISTEMA

El siguiente capítulo se refiere al sistema. Las partes que integran el sistema se tratan como

puntos apartes, comenzando con el circuito digital o hardware, del cual se describe los integrados

utilizados y las partes que conforman cada uno de estos, comenzando por el módem Hart HT2012 y

todos los circuitos externos que requiere, el circuito integrado de conversión TTL - RS 232, el circuito

de generación del lazo de corriente, el conversor analógico digital, y el microcontrolador. En cuanto

al programa del microcontrolador o firmware se describe las rutinas implementadas y la forma en la

que las mismas se relacionan y finalmente se trata el software o programa de interfaz para el usuario

del maestro, que en este caso es el computador personal.

Sin embargo, antes de entrar en los detalles del diseño, se menciona los implementos necesarios

para llevar acabo el proyecto en el cual se diseña el sistema de la figura 3.1.

Figura 3.1 Diagrama del sistema a realizar

3.1.- ¿ Cómo implementar el protocolo HART en los medidores de flujo?

Para poder implementar un protocolo en cualquier dispositivo remoto o esclavo, se necesita un

microprocesador, en especial si el protocolo de comunicación es el protocolo Hart, ya que como se

vio en el capítulo 2 , el protocolo requiere dispositivos inteligentes, refiriéndose con este adjetivo al

hecho de contener un microcontrolador. El microcontrolador que la compañía Flotech S.A. utiliza en

sus instrumentos medidores de flujo es el Basic TIGER, de Wilke Technology. Este microcontrolador

posee una gran capacidad de memoria y un puerto serial que se utiliza al momento de conectar el

módem Hart. Para que el microcontrolador sea capaz de responder a los mensajes Hart, se debe

29

realizar un programa que reciba y decodifique el mensaje, para luego ensamblar una respuesta al

mismo tomando los valores necesarios desde el sensor (firmware).

El módem Hart es la parte física del protocolo en sí, es el que se encarga de transformar la señal

digital del microprocesador en una señal analógica con codificación por desplazamiento en

frecuencia, que viaja por un par de cables hasta el módem del maestro. Este módem se describirá con

más detalle en el capítulo de hardware y materiales.

El microprocesador, el TIGER, se programa en Basic, un lenguaje de alto nivel bastante

sencillo. El microprocesador en si, incluye un software que maneja periféricos, como pantallas LCD y

también puertos seriales. Luego, con simples comandos se puede enviar la información a la pantalla

de visualización y al módem. Lo complicado de la programación del TIGER es saber ¿Cuándo es

correcta la información que recibe?, ¿Cómo decodificar o desensamblar el mensaje una vez recibido?

y ¿Qué se debe responder a dicho mensaje?.

Para la realización del proyecto no se disponía de un maestro, de un dispositivo que

estructurase los mensajes y los enviase al microcontrolador; de modo que también hubo que diseñar

un software que se pudiese utilizar en un PC y que cumpliese el papel de maestro. Luego, para el

programa en el PC, se utilizó el reciente lenguaje de programación de alto nivel, JAVA. Y para

asegurar que el protocolo estuviese implementado de acuerdo al estándar de la Fundación Hart, se

realizarán pruebas con PDVSA que posee un maestro aprobado por la fundación.

Detalles sobre los programas tanto del microprocesador TIGER, como del PC, los encontrará en

el capítulo de programas del microcontrolador (firmware) y programas en lenguaje Java para el PC

(software), en donde se da respuesta a las preguntas anteriores. Cabe destacar que no se presentan las

rutinas como tal (ya que explicar cada comando o instrucción dentro de la rutina no es objetivo de

este libro), se muestra mediante un diagrama de flujo la conexión entre las diferentes rutinas o

programas que ejecutan funciones diferentes, desde capturar datos hasta ensamblar el mensaje de

respuesta hacia el dispositivo maestro.

Sección 3.2.- Hardware y materiales

A continuación se procederá a describir en detalle la parte física del instrumento o dispositivo

de campo, esta se basa en la tarjeta digital del circuito que se diseño, dicha tarjeta posee la siguiente

estructura (figura 3.2):

30

Figura 3.2 Diagrama de la tarjeta digital

3.2.1.-Microcontrolador

Los sensores de flujo de la compañía Flotech S.A., a los que se les desea instalar el protocolo

Hart, funcionan con el microcontrolador Basic TIGER, de Wilke Technologies (figura 3.3 ). Este

microprocesador tiene las siguientes especificaciones:

Figura 3.3 Microcontrolador TIGER

• Es un procesador multitareas, con la capacidad de ejecutar hasta 32 tareas por separado.

• La velocidad en instrucciones por segundo que ejecuta es de hasta 100.000, las

operaciones con dispositivos I/O son más lentas, dependiendo de su complejidad.

31

• Capacidad de memoria: aproximada de 2000 a 5000 instrucciones de Basic con la

memoria FLASH de 128Kb y de 10000 a 30000 instrucciones, con la memoria FLASH

de 512Kb, el máximo en memoria Flash en venta es de 4Mb.

• La arquitectura de los pines de I/O del Basic TIGER se diseña para otorgar flexibilidad y

expansión sencilla. El modulo tiene 38 pines I/O que pueden ser utilizados en una gran

variedad de formas. Se pueden asignar otras funciones a los pines de I/O con la

programación apropiada en Basic.

• Dos puertos seriales, puerto serial 1 que tiene las respectivas entradas RxD y TxD, y el

puerto serial cero, que además de TxD y RxD tiene unos pines de RTS y CTS, con la

posible elección entre TTL o drivers de V24 (pines 24-29) que se pueden configurar

mediante el software.

• Los parámetros de comunicación son de 300, 600, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400,

76800, 153600 Baudios; con 7 u 8 bits de datos; paridad O/E o N y un bus RS-485.

• Posee convertidores análogo a digital de 8, 10 o 12 bits que poseen una tasa de muestreo

de hasta 50000 muestras por segundo.

• Posee un controlador interno de pantalla LCD 15, con sets de caracteres definibles, con 8

caracteres cada uno. Control del cursor, secuencias de ESC, selección de menú,

símbolos en movimiento etc.

• Fuente de alimentación o de poder de 4.7voltios a 5.5 voltios y corriente de 45mA a

80mA (en modo inactivo de 50 a 100 micro amperios)

• Capacidad de memoria de 128Kb a 2 Mb en memoria SRAM y 128Kb a 4Mb de

memoria FLASH.

• RESET, tiene una entrada o pin para reiniciar el modulo.

• Reloj de tiempo real con calendario y alarmas, se requiere de una batería externa para

instalar esta aplicación.

32

• Salidas digital análogas de PWM, 2 canales, con resolución de 6 a 8 bits y frecuencias

desde 0.6kHz a 39kHz.

En la siguiente tabla se encuentra la especificación de cada pin:

Pin No. Nombre Descripción

1 VCC Voltaje de alimentación

2 L60 Puerto 6 - Pin 0










12 L72/PWM Puerto 7 - Pin 2 o PWM – salida

13 L73/PWM Puerto 7 - Pin 3 o PWM – salida







21 L87 Puerto 8 – Pin 7

22 Reset in Entrada de reset

23 GND Tierra

Tabla 3.1 Especificaciones de pines del microcontrolador

33

Pin No. Name Description

24 L90/TxD0 Puerto 9 - Pin 0 o línea RxD del puerto serial 0

25 L91/RxD0 Puerto 9 - Pin 1 o línea TxD del puerto serial 0

26 L92/CTS0 Puerto 9 - Pin 2 or CTS0

27 L93/TxD1 Puerto 9 - Pin 3 o línea RxD puerto serial 1

28 L94/RxD1 Puerto 9 - Pin 4 o línea TxD puerto serial 1

29 L95/RTS0 Puerto 9 - Pin 5 o RTS0






35 L42/I2C-clock Puerto 4 - Pin 2 o I2C-BUS puerto 3 – línea de reloj

36 L40/I2C-Data Puerto 4 – Pin 0 or I2C-BUS data Line

37 L41/PC Pin de modo PC

38 Alarm out Salida de la alarma (con reloj, en otro caso NC)

39 Analog in 0 Entrada analógica 0 (0 -> VCC)




43 A/D-Ref-in A/D referencia de voltaje : 3,5 -> 5,0 volts

44 Analog GND Tierra analógica

45 Battery in Conexión para batería externa

46 VCC (5V) Fuente de alimentación o poder

Tabla 3.1 (Cont.) Especificaciones de pines del microcontrolador

3.2.2.- Desarrollo de la tarjeta digital

Al principio del proyecto se utilizó la tarjeta que incluía el Basic TIGER, cuando la

computadora y el microcontrolador se conectaban directamente por el puerto serial para comenzar a

programar las rutinas de comunicación, recepción y análisis. Una vez que se disponía de las demás

partes del dispositivo, se instaló el microcontrolador en una tarjeta diferente, en la que pude elegir que

era necesario de lo que contenía el kit y añadir las cosas que el mismo no incluía y eran necesarias.

La tarjeta desarrollada durante el proyecto, contenía lo siguiente:

34

Un conversor analógico digital, para convertir la entrada del sensor de nivel o flujo a un valor

digital de 12 bits. Este se conecta al microcontrolador mediante los pines 20 (Puerto 8 pin 6) y 21

(Puerto 8 pin7), que son puertos controlables mediante software. El conversor ADC utilizado fue el

LTC1298, cuyo circuito interno se muestra en la figura 3.4:

Figura 3.4 Bloque interno del LTC1298

Extraído de las hojas de datos de Analog Devices AD694

Para mayor información sobre éste integrado y el modo de conexión del mismo, refiérase al

anexo 6 , este contiene algunas de las hojas de datos de este integrado.

Un circuito que genera el lazo de corriente en mA, ya que el dispositivo que estamos creando es

de tipo activo lo cual implica que este debe generar su propio lazo. Luego este circuito se basa en el

integrado AD694 de Analog Devices. Este integrado se coloca en la tarjeta digital mediante el

siguiente montaje (figura 3.5):

35

Figura 3.5 Conexión del generador del lazo de corriente AD694

Extraído de las hojas de datos de Analog Devices AD694

Para mayor información sobre éste integrado y el modo de conexión del mismo, refiérase al

anexo 5 , este contiene algunas de las hojas de datos de este integrado.

Esto, junto con conectores DB-9 para ambos puertos seriales, conectadores para alimentación

(ya que la fuente no está incluida en esta tarjeta) y un interruptor que se utiliza en el microcontrolador

para elegir entre modo de programación y modo de corrida; además unos leds para indicar en que

modo se encuentra y si el circuito está encendido o no.

Esto es lo que contiene la tarjeta digital, no se incluye el diseño del módem Hart ya que para

este se diseña un circuito impreso individual que se conecta a la tarjeta digital

Para ilustrar lo anterior observe el siguiente diagrama de bloques en la figura 3.6, en el que se

muestra los módulos de la tarjeta digital:

36

Figura 3.6 Elementos de la tarjeta impresa del circuito digital

3.2.3.-El Módem HART

Al iniciar el proyecto de pasantía, la empresa disponía de 3 integrados SYM20C15, módems

para transmitir en protocolo Hart. Estos integrados eran de montaje superficial, luego para poder

conectarlos en el protoboard, donde inicialmente se ensambló el circuito hasta hacerlo funcionar, eran

necesarias unas bases especiales. Se hizo un listado de los componentes para ensamblar el circuito y

realizar las pruebas pertinentes, sin embargo, uno de los integrados necesarios para hacer funcionar el

circuito era el AD421, que en el momento de pedirlo a la empresa NEWARK, no notificó la

disponibilidad del mismo, el integrado estaba agotado y no se fabricaba otro lote hasta marzo del

2001; luego fue necesario cambiar el módem a utilizar.

De todos modos sería necesario el cambio, ya que la empresa que en un principio vendió estos

módems a Flotech S.A., Symbios Logic, había sido comprada y no venderían mas de los circuitos

integrados fabricados por la misma. Ya que no tenía sentido diseñar un producto que no se podría

fabricar porque los componentes al momento del diseño ya estaban obsoletos, se realizó una rápida

investigación (utilizando Internet), sobre la disponibilidad de algún otro módem, y se encontró la

empresa SMAR RESEARCH CORP. Esta es una empresa que vende equipos industriales con

protocolo de comunicación Hart y además algunos integrados, entre ellos el módem que se requería.

También disponían de circuito con el módem incluido que bastaba con conectarlo al puerto serial y

luego al lazo de corriente, sin embargo, este costaba $300 y el módem como integrado solo $5,

37

además, para poderlo conectar al micro esta interfaz Hart, que es el nombre de su producto (para

mayor detalle refiérase al anexo 4), requeriría de todas las conexiones que tiene la computadora hacia

el puerto serial, y que como ya se mencionó en la parte del microcontrolador, este no dispone de todos

los pines de conexión serial estándar. Finalmente, adquirimos el circuito integrado HART2012

(anexo 3) . Este Integrado requería un filtro de entrada y filtro de salida, además de un circuito

integrado MAX232 o MAX202, para compatibilidad con el puerto serial del microcontrolador. Cabe

destacar que los microcontroladores tienen la posibilidad de ser adquiridos sin el conversor RS232

interno, y de ese modo no haría falta este integrado en el diseño del impreso del módem HART, sin

embargo, la empresa adquirió éstos, para poder realizar la programación de los mismos de modo

directo, de modo que la redundancia (TTL a RS 232 y RS 232 a TTL de nuevo) es necesaria y no se

modificará en ningún momento.

Una vez que se dispone de los circuitos integrados y componentes necesarios, se ensamblo el

circuito en el protoboard , para realizar pruebas hasta que funcionase correctamente. Se montó según

el siguiente esquema (figura 3.7):

Figura 3.7 Circuito completo del Módem Hart

Aquí, como podemos observar, el circuito dispone de un filtro de entrada, un filtro de salida, el

módem HART 20 12, y un conversor TTL – RS 232.

38

El filtro de entrada, consiste en un amplificador operacional, que en este caso es el LM2904,

que envía su salida a un comparador, el TLC71, luego la salida del comparador es una señal 0 – 5

voltios que entra al módem HART. En la siguiente figura 3.8 se puede observar en detalle el circuito

del filtro de entrada.

Figura 3.8 Filtro de Entrada del Módem

El filtro de salida, se basa en un filtro pasa banda RC, con frecuencias de corte 1000Hz y

2500Hz, además un condensador en serie para eliminar el DC de la señal. Observe la figura 3.9, en

esta se incluyen los tres estados que controlan el medio:

Figura 3.9 Filtro de Salida del Módem

Para poder controlar lo que recibe el módem y lo que envía, ya que la comunicación es half-

duplex (la señal transmitida y la recibida comparten el canal o medio de transmisión, por lo que no se

puede hacer ambas cosas al mismo tiempo), se requiere de unas compuertas de tres estados 74HC126,

que se controlan con la señal de RTS.

39

Para la señal de reloj del módem, se requería de un cristal de 460.8kHz, se utilizó la siguiente

configuración de circuito oscilador (figura 3.10):

Figura 3.10 Reloj del módem

3.2.4.-Descripción del modulador HT2012

El módem posee las siguientes características:

• Funciona bajo el estándar Bell 202 con una tasa de baudios de 1200 bits por segundo.

• Utiliza las frecuencias de 1200 Hz y 2200 Hz del estándar Bell 202.

• Bajo consumo de potencia (consumo típico 40 µA).

• Detección de portadora (Carrier Detect) mejorado.

• Modulación por desplazamiento en frecuencia en un solo integrado.

• Recepción y transmisión de datos a 1200 baudios

• Fuente de alimentación requerida de 3 a 5 voltios.

• Compatible con CMOS y TTL.

• Se optimiza para aplicaciones intrínsecamente seguras.

• Utiliza tecnología CMOS de confianza.

• Soporta el rango de temperaturas industrial (-40ºC to 85ºC)

A continuación, en la figura 3.11, podrá observar los pines del integrado HT2012:

40

Figura 3.11 Módem Hart HT2012

El módem funciona del siguiente modo:

La señal RTS (ready to send) se encuentra siempre activa de modo que ninguno de los dos, ni el

maestro ni el esclavo, ocupe la línea. Las salidas TTL del MAX 232 van directamente a los pines

respectivos del módem, IRxD (input receive signal) y OtxD (output receive signal). Al bajar la señal

de RTS, el módem comienza a modular con desplazamiento en frecuencia, dependiendo del valor del

pin IRxD, la frecuencia será de 2200Hz o 1200Hz, como lo establece el estándar Bell 202.

Las pruebas que se realizaban eran en un principio con los terminales de dos computadoras, si

el puerto serial se conectaba a los respectivos módems (se requirió de la fabricación de dos de ellos

como mínimo) y se comunicaban entre ellos a una tasa de bits de 1200bps, como se encuentra en los

parámetros del protocolo Hart y del módem en sí.

En cuanto al montaje, para llegar al actual diseño de la tarjeta del módem, se fabricaron dos

prototipos. Los primeros eran circuitos con pistas de cobre de un solo lado, lo cual hacía necesaria la

conexión mediante cables, estos primeros prototipos los puede observar en la figura 3.12 y en el

anexo 8 encontrará el diseño del circuito impreso.

41

Figura 3.12 Primeros circuitos impresos para el módem

Luego se realizó un segundo diseño con correcciones de errores del primero y de doble cara, es

decir, con pistas de cobre por ambos lados de la tarjeta; este es el diseño final del impreso del módem.

Este se conecta a la tarjeta en la cual se encuentra el microcontrolador mediante un conectador de 10

pines, como se observa en la siguiente figura 3.13:

Figura 3.13 Conexión del módem Hart a la tarjeta digital

42

Esto concluye la descripción de la parte física del sistema, la tarjeta digital que se incluirá en el

dispositivo, sin embargo este no es un diseño que pueda ser fabricado en cantidad, ya que el circuito

se ensambló en una lámina perforada sin conectadores de cobre de ningún tipo, se debe diseñar un

circuito impreso para colocar todos los módulos de un modo más eficiente, que reduzca el espacio.

Ahora procedemos a describir el firmware del equipo, el programa del microcontrolador que se

encarga del procesamiento de los mensajes en el dispositivo remoto o sensor.

3.3.- Programas del microcontrolador ( firmware)

El programa del microcontrolador se define mediante la siguiente estructura (figura 3.14):

Figura 3.14 Estructura del firmware

A continuación se describe brevemente cada una de las partes del programa o rutinas y las

funciones que llevan a cabo, se mencionan los nombres utilizados para cada una durante la

programación, de modo que en caso de observar el anexo 10 el lector pueda comprender con mayor

facilidad el fragmento del programa.

43

3.3.1.-Recepción y análisis

Para iniciar el desarrollo del firmware era necesario crear una rutina que recibiese el mensaje.

Para ello se trabajó conectando los puertos seriales del PC y del TIGER directamente. La rutina toma

los caracteres o bytes y los imprime en el LCD. Una vez que se verificó que la rutina recibiera

correctamente los bytes, se procedía a un nivel superior de complejidad, ya que era necesaria una

rutina que analizará lo que recibía como si fuese un mensaje Hart, para este momento fue necesario

realizar un pequeño programa en JAVA que transmitiese un mensaje fijo pero con la estructura

HART, es decir, 20 bytes de preámbulo, dirección, comando y otros. Luego, el TIGER recibe el

mensaje y asignando a un arreglo de bytes lo que se recibe del puerto, divide el mensaje en sus

respectivas partes, e imprime en el LCD el comando (número del comando). Sin embargo, esto no

requería mayor esfuerzo, ya que el mensaje era fijo y se conocía exactamente que longitud, en bytes,

tiene cada parte del mensaje. En el protocolo Hart, como se vio en el capítulo 2, el mensaje puede

variar su longitud, y además puede tener dos formatos diferentes. De modo que, para poder recibir el

mensaje, debía ser analizado a medida que llegaba al puerto serial, por lo que hubo que integrar la

rutina de recepción con la de análisis.

La rutina de recepción y análisis revisa el puerto constantemente en busca de información o

bytes de datos, al momento de recibir alguno de ellos, lo compara con FF hex (que son los primeros

20 bytes de un mensaje HART) para poder sincronizar, detectar la existencia de un mensaje en la

línea y además eliminar ruido de modo digital. Si la cantidad de bytes con valor FF era igual a la

cantidad de bytes de preámbulo asignados al dispositivo, el mensaje continúa siendo almacenado en el

arreglo de bytes, siendo el siguiente byte, el byte de inicio o como se denomina el arreglo en el

programa, byte de START.

El byte de inicio indica el formato del mensaje, si es de formato corto o de formato largo, esto

se implementó en el programa mediante un IF, y el valor por descarte es un mensaje de respuesta que

indica que el mensaje es errado. De modo que si el byte de inicio es 2 o 186 (02 hex y 82 hex

respectivamente) se descifra el largo del campo de dirección o address, que en un caso es de 5 bytes y

en otro de un solo byte. Luego, si el formato es largo, se reciben los cinco bytes siguientes y son

almacenados en un arreglo denominado ADRESSA, si es un byte se almacena en ADDRESSB.

La dirección debe ser también analizada en el momento en que se recibe, ya que si no es la

dirección del dispositivo éste no debe emitir respuesta alguna. Esto corresponde al primer rombo de la

44

figura de la estructura del programa que se presenta al principio de esta sección. Una vez que se sabe

que el mensaje es para el dispositivo, se continúa la recepción de bytes. El siguiente es el byte de

comando (COMMAND), de modo que de acuerdo a lo establecido por la fundación Hart, ya se conoce

lo que se encuentra en el mensaje, más sin embargo aún no se conoce su longitud. Un breve ejemplo

podrá aclarar lo antes mencionado. El comando número 17 es un mensaje de máximo 32 caracteres,

pero pueden ser menos, de modo que se debe saber cuantos bytes de información han sido enviados.

Para ello, se incluye el byte de cuenta de bytes (BYTECOUNTBYTE), el cual es un entero del 0 al 25

que facilita ese dato y viene inmediatamente después del byte de comando. Luego, se recibe la

cantidad de bytes que este BYTECOUNTBYTE indica y se almacenan en un arreglo denominado

DATAS. Finalmente, en el byte de verificación de suma, que en el programa es CHECKSUM, se

guarda el XOR de todos los bytes desde el de inicio hasta el último dato, para verificar que no hubo

errores de transmisión y que el mensaje está intacto.

3.3.2.-Respuesta al comando

Una vez que se dispone de cada una de las partes del mensaje en arreglos, se procede a realizar

lo que el maestro indica mediante el número del comando. Según el número de comando recibido se

debe realizar o invocar rutinas diversas. La que la mayoría de las veces se ejecuta (la mayoría de los

comandos incluyen este dato) es la medición de la variable primaria, para lo cual se realizó una rutina

aparte.

Para separar estas rutinas, se utiliza un SWITCH con los posibles casos o comandos disponibles

en el dispositivo(para este proyecto, solo fueron incluidos los comandos universales).

En la mayoría de los comandos, los datos enviados son fijos, son parámetros del dispositivo o

de las pocas variables que el mismo mide (variable transmitida en mA). De modo que estas se

almacenan en la memoria del TIGER para ser invocadas y/o modificadas en cuanto sea necesario. En

el anexo 2 se incluye una tabla con todos los parámetros necesarios para satisfacer los requerimientos

de información de los comandos universales.

No se detallará cada uno de los 13 comandos disponibles (los comandos universales), pero más

adelante se incluirá un ejemplo de aquellos que sirvan para describir las demás rutinas del programa.

45

3.3.3.-Transformación de valores

El mensaje recibido se almacena como bytes, de modo que los números decimales negativos y/o

mayores a un byte deben ser incluidos en una rutina de conversión. Esta rutina se denomina en la

estructura del programa ByteToFloat, ya que en el mensaje los números son enteros (un byte máximo)

o de tipo flotante. Siendo de tipo flotante (según el protocolo Hart), cuatro bytes, que representan el

número en dos partes, la mantisa M y el exponente E, siendo el número decimal igual a M x 2E . La

mantisa ocupa los dos primeros bytes más 7 bits del tercero, el exponente ocupa el cuarto byte sin el

bit superior más el bit restante del tercer byte y el último bit indica el signo de la cantidad decimal.

En el momento de transmitir la respuesta se invoca una rutina que hace lo opuesto, pasar del número

flotante recibido del sensor a bytes individuales que se denomina FloatToByte.

3.3.4.-Codificación o compresión de caracteres

Es necesaria una rutina de codificación y decodificación de caracteres, en realidad dos rutinas

diferentes. En el capítulo 2 , se describió el modo en el que los bytes de tipo caracter son

comprimidos, o mejor dicho, los parámetros de tipo caracter, como el tag (número identificador del

dispositivo o etiqueta), el DESCRIPTOR y los mensajes de texto de 32 caracteres. Esta codificación

es del modo siguiente. Los caracteres son tipo ASCII, pero cada cuatro bytes (8 bits) se comprimen en

tres, se eliminan los dos bits superiores del byte, es decir, el byte ya no es ASCII sino de 6 bits.

Luego, solo se utiliza una parte del código ASCII que son los caracteres desde el 20 hex hasta el 5F ,

estos incluyen signos de uso frecuente y letras mayúsculas. Para codificar, simplemente se eliminan

los dos bits superiores de cada byte y con una serie o secuencia de SHIFTs, ANDs y Ors, se

comprimen a los 3 bytes. Para decodificar es un poco más complejo, de acuerdo a los dos bits más

significativos (de los 6 bits) se añaden los bits que faltan. Si estos dos bits son 00 entonces se cambia

la parte superior del byte a 0100, pero si son 01, se cambian a 0101, de modo que los bytes superiores

serán 2, 3, 4 ó 5 ( del 20 al 5F hex).

3.3.5.-Conversión analógico a digital

Esta es una pequeña rutina que lee el puerto número 8 del TIGER, al cual se ha conectado

previamente la salida de un ADC, circuito integrado que transforma un valor analógico introducido,

en un valor digital a su salida, en forma serial. Al invocar la rutina ADC12bit se obtiene el valor

medido por el sensor, que es el que se asigna a la variable primaria.

46

Conociendo la existencia de estas rutinas de transformación de enteros a flotante, de

compresión de caracteres y obtención de valores, podemos dar ejemplos de comandos y su

implementación en el programa.

Cuando el maestro envía el comando número 18, en el campo de datos se encuentran el tag el

descriptor (con compresión de caracteres) y la fecha (sin comprimir). Luego, se decodifica y se

asignan los valores enviados a los parámetros del dispositivo, la respuesta debe ser igual o incluir los

mismo datos que envió el maestro o los nuevos valores de los parámetros tag, descriptor y fecha.

De los comandos universales, los únicos que incluyen datos del maestro al dispositivo de

campo, son los tres últimos, el 17, 18 y 19. El 17 es el que transmite un mensaje al dispositivo (un

mensaje de 32 caracteres que debe presentarse en la pantalla LCD), el 18 es el antes mencionado y el

19 modifica el número de ensamble final (NFE), uno de los parámetros del dispositivo.

Al recibir los demás comando se debe emitir una respuesta con los datos que según el comando

le correspondan, por ejemplo, el comando número uno es el que transmite la variable primaria (la

medición del sensor) junto con las unidades de la medición. Las unidades se indican de acuerdo a una

tabla con números enteros. Luego el primer byte del campo de datos se utiliza para incluir la unidad, y

los siguientes cuatro bytes, es decir, del 1 al 4, para almacenar los bytes que resulten de transformar el

valor flotante de la variable primaria a bytes. El comando 3 es bastante similar, solo que este incluye

las cuatro variables posibles del protocolo, cada una con su unidad de medición, excepto los primeros

cuatro byte, que indican la corriente del lazo en mA.

El comando 13 envía al maestro el tag, descriptor y la fecha, luego se debe invocar a la rutina

de codificación de caracteres. Para el tag que es de 8 caracteres, se asignan 6 bytes del mensaje; para

el descriptor, de 16 caracteres, se asignan 12 bytes; pero la fecha no necesita compresión, ya que tres

bytes son suficientes, día, año y mes respectivamente. Este comando permite observar los valores sin

poder modificarlos ( cosa que se realiza con el comando 18 se mencionó anteriormente).

Un comando interesante es el comando 12, este es aquel en el que el maestro recibe un mensaje

(de 32 caracteres) del dispositivo remoto, pero dado que el dispositivo remoto en el momento del

diseño del proyecto no incluía un teclado para poder ingresar mensajes, se implementó un mensaje

fijo que se transmite siempre que se le envíe ese comando. En un futuro se pretende añadir pequeños

teclados a los dispositivos, para poder modificar su programación en el campo y enviar mensajes de

texto.

47

Algunos fragmentos del código se encuentran en el anexo 9 de este libro. Finalmente, el

software o programa del maestro (computador personal).

3.4.-Programa para el maestro o interfaz para el usuario

El programa realizado para el maestro de prueba, posee una estructura similar a la del programa

del Basic TIGER, sin embargo, la diferencia entre los lenguajes de programación Basic y Java, hacen

que las rutinas sean algo más complicadas. Para llevar acabo la programación en este lenguaje se

acudió a la interfaz de aplicación de programación de Java (API, clases y objetos ya existentes); y se

procedió a realizar lo mismo que en el programa del TIGER, pero incluyendo una interfaz gráfica

que permite interactuar con el usuario.

Java es un lenguaje de programación orientado a objetos (si desea saber más sobre esto se le

sugiere revise la bibliografía), luego, en vez de programas o rutinas, se les denomina clases, las

mismas se invocan las unas a las otras para lograr el mismo resultado que el programa del TIGER. En

nuestro caso, el maestro dispone de una clase principal que crea la interfaz gráfica y activa los

botones que el usuario utilizará para controlar la aplicación. Al presionar o seleccionar alguno de los

ítem de la ventana de interfaz, se llama a otra clase que determina cual de las acciones se debe

realizar.

48

La interfaz es la siguiente (figura 3.15):

Figura 3.15 Interfaz gráfica del programa maestro

Como puede observar, la interfaz no es para ser utilizada por cualquier usuario, se planea hacer

modificaciones a la misma una vez que todo el dispositivo este completo, para ofrecer el servicio de

instalación completo de dispositivos de campo y maestro, pero cabe notar que para la empresa es

prioridad el dispositivo (hardware y firmware) y no el software. La interfaz contiene campos que

pueden ser editados y otros que no, ya que son los que se calculan al momento de ensamblar el

mensaje.

• El primer campo es la cantidad fija de bytes de preámbulo que poseen los mensajes hacia el

dispositivo.

• El segundo indica el valor hexadecimal del byte de inicio, de acuerdo a lo que el usuario

seleccione con los checkbox el valor que aparece en dicho campo se modifica.

49

• El tercer campo es el de la dirección. Dicha dirección se escribe en valores decimales byte por

byte, de no introducir correctamente la dirección el programa genera errores (no se ha incluido

en el programa diálogos de error, de modo que de cometer algún error este será visible en el

command prompt o el terminal desde el cual se corrió el programa java Hart).

• El cuarto no es un campo sino una lista de selección con los comandos disponibles del

dispositivo, aunque, siendo este un maestro para utilizar con cualquier dispositivo Hart, debería

permitir escritura, de no poseer el dispositivo dicho comando, deberá enviar un mensaje en el

cual los bytes de estado o estatus indican que el mismo no dispone del comando.

• La cuenta de bytes se genera automáticamente al presionar el botón “Componer”.

• El campo de datos presenta lo que se añade al mensaje, de no poseer ningún dato se indica o

simplemente aparece el comando que se ha seleccionado. Recuerde que, como se mencionó en

la parte del programa del TIGER, solo los comandos 17, 18 y 19, son los que envían datos del

maestro al dispositivo.

• Finalmente, un campo de texto en el que se escribe lo que el programa esta realizando o recibe

del dispositivo de campo.

Los botones:

• RESET, inicializa todos los campos de la interfaz.

• EXIT, cierra el programa.

• SEND, envía el mensaje.

• COMPONER, ensambla el mensaje.

De modo que para poder enviar un mensaje al dispositivo ocurren los siguientes eventos:

Se selecciona el formato del mensaje, se escribe la dirección y se le da al botón de componer

(en caso de que el comando a enviar sea diferente del 17, en cuyo caso también se introduce el

mensaje de 32 caracteres en el campo de datos), al seleccionar cualquiera de los botones de la interfaz

se invoca la clase ManejaEventos, que decide cual de las demás clases debe ser llamada, y asigna

valores a los campos de texto de la interfaz.

50

Al presionar el botón de componer la ventana se actualiza. Para este momento, ya se ha

asignado valores a cada byte que compone el mensaje, al invocar una clase denominada

ComposicionMensaje, la cual además contiene métodos (subrutinas) que codifican los bytes de tag,

descriptor y del mensaje de 32 caracteres.

Luego se presiona el botón de SEND o enviar, al hacerlo, se invoca la misma rutina

composición de mensaje y la clase SerialConection, que transmite el mensaje al módem Hart de modo

serial. Mientras el mensaje es enviado al dispositivo y se espera una respuesta se le informa al usuario

mediante el campo de mensaje del TIGRE, en el cual se imprimen las palabras …enviando el

mensaje…, para que el usuario sepa que ha funcionado la comunicación del maestro hacia el

dispositivo (es decir, entró a la rutina que envía los datos por el puerto serial al módem).

Finalmente al obtener una respuesta del TIGER se invoca la clase MessageAnalisis que se encarga

de dividir el mensaje en las partes respectivas y según el comando que se envió se muestra en el

campo de Mensaje del TIGER los valores de los bytes o campos individuales del mensaje más

importantes y luego lo que el comando en si debe enviar. Por ejemplo el comando 3 incluye la

corriente del lazo, las unidades y variables (de la primaria a la cuarta) y se muestran de la siguiente

forma:

• Corriente en mA: valor recibido

• Unidades variable primaria: valor recibido

• Variable primaria: valor recibido

• Unidades de la segunda: valor recibido

• Segunda variable: valor recibido

• Unidades tercera variable: valor recibido

• Tercera variable: valor recibido

• Unidades cuarta variable: valor recibido

• Cuarta variable: valor recibido

Para cada comando se muestra la estructura de lo recibido de un modo similar, descripción y

después de los dos puntos el valor recibido o asignado.

51

El programa del maestro no es un programa secuencial, a diferencia del programa del TIGRE,

este llama a las diferentes clases o rutinas a medida que se necesita de ellas, por ejemplo, por cada

byte que se recibe se invoca la clase SerialConection y la clase MesageAnalisis.

De este modo se culmina la descripción del sistema diseñado y se procede al capítulo de

pruebas y resultados.

52

CAPITULO 4.- PRUEBAS Y RESULTADOS

4.1.-El circuito impreso digital y programa del microcontrolador:

El resultado final de este proyecto es un prototipo, como se mencionó anteriormente, la tarjeta

digital se muestra en la siguiente figura 4.1:

Figura 4.1 Tarjeta digital con todos sus elementos

Como se puede observar, la tarjeta digital incluye todo lo que se mencionó en su descripción.

Se puede observar el módem (la tarjeta que se encuentra conectada por encima de ambos

conectadores DB-9), el circuito conversor analógico digital, que se observa en el lado izquierdo del

microcontrolador y el circuito generador del lazo que se encuentra debajo de la tarjeta del módem.

Este circuito contiene el hardware y firmware del diseño.

53

4.2.- Interfaz para el usuario

La interfaz gráfica para el usuario en el PC, o en otras palabras el maestro funciona del

siguiente modo:

Figura 4.2 Interfaz gráfica del maestro

Al iniciar el programa aparece la ventana principal en blanco, como se muestra en la figura

anterior; los campos se encuentran vacíos y esperando que el usuario proceda a llenar y seleccionar

los valores deseados. Una vez introducidos los valores deseados se presiona el botón de componer y

la ventana muestra los valores calculados para el resto del mensaje, como se muestra a continuación

(figura 4.3):

54

Figura 4.3 Interfaz una vez presionado COMPONER

Como se puede observar para este momento, los campos contiene los valores introducidos por

el usuario y los establecidos por el sistema, en este caso el número de bytes de preámbulo es 20, el

formato de mensaje elegido es el formato largo, el cual contiene un campo de dirección de cinco

bytes, el valor de ésta dirección se encuentra en el siguiente campo de texto. El comando que había

sido elegido, la cuenta de bytes que en este caso es cero (recuerde que el comando 3 no contiene datos

del maestro hacia el dispositivo) y el campo de datos que muestra el comando elegido (se mencionó

anteriormente que en caso de que el comando no contuviese ningún dato se mostraría en este campo

el comando elegido. Una vez listo el mensaje se presiona el botón de SEND y la pantalla aparece esta

vez del siguiente modo (figura 4.4):

55

Figura 4.4 Interfaz después de presionar SEND

En la figura se nota que el botón SEND queda inhabilitado una vez que se presiona, esto es para

impedir que el usuario presione el mismo varias veces y cree un conflicto dentro del programa, este se

reactivará una vez que se presione componer de nuevo.

El botón de RESET reinicia la ventana, quedando esta como se muestra en la figura 4.2 en la

cual se borra el contenido del mensaje del TIGRE, para poder continuar enviando mensajes sin la

necesidad de utilizar las barras deslizantes del área de texto (scrollbars) , sin embargo deberá rescribir

los campos de dirección para cada vez que utilice el RESET.

Finalmente, aparecen los resultados de la comunicación, esto después de que el programa ha

procesado el mensaje recibido, y se muestran como se ilustra en la figura 4.5:

56

Figura 4.5 Interfaz con los resultados del proceso de comunicación

Como puede observarse, los resultados incluyen el valor de los bytes de inicio, la dirección, el

comando y el de estado; sin embargo a un usuario que no esté programando no le interesa el valor de

estos, sino la frase que indica que el mensaje fue recibido correctamente y los valores que pidió

mediante el comando elegido.

4.3.- El sistema completo

Una vez realizadas las conexiones entre el hardware, firmware y software o entre el

microcontrolador, el módem del dispositivo de campo al módem del maestro mediante el lazo de

corriente, y el módem del maestro al computador mediante un cable serial; se procedió a correr en el

PC el programa del maestro Hart, realizado en JAVA. Para correrlo es necesario abrir el command

prompt del computador y ejecutar el comando java Hart5. Luego se procedió a elegir todos los

comandos disponibles, los cuales para el momento son los comandos universales, y verificar que la

respuesta fuese la asignada por la Fundación Hart; observando los cambios en los valores de la

variables primaria, la recepción de mensajes de texto de 32 caracteres, y que no respondiese a

mensajes con direcciones diferentes a la asignada a este dispositivo en particular, entre otras.

57

Una de las principales cosas a probar era el correcto funcionamiento de las rutinas de recepción

y análisis, para lo cual se incluyó en el programa maestro de PC unas líneas que indican el estado en

el que se recibió el mensaje (esto se verifica comparando el byte de suma de verificación recibido, con

uno calculado por el programa) e imprimiendo líneas con los valores de cada byte individual, para

verificar que, por ejemplo, el byte de inicio tuviese valores 06 0 86, y no cualquier otro, en cuyo caso

habría algún error en el sistema o en la comunicación.

Al notar que todos los comandos implementados recibían la respuesta esperada, se dio por

culminado el diseño. Tomando en cuenta que aún faltaban detalles, como los datos enumerados y la

implementación de los muchos otros comandos, pero que para ese momento era imposible

implementar, ya que el diseño de la parte analógica del sensor no había sido realizada y las rutinas de

calibración y demás opciones que permite el protocolo no podían ser programadas sin éste.

El resultado concreto de este proyecto es un sistema que se basa en el protocolo de

comunicación Hart, una tarjeta digital que mediante el uso de un microcontrolador procesa una señal

analógica FSK de frecuencias 1200 Hz y 2200 Hz para emitir una respuesta al mensaje de comando

del maestro, cuya interfaz es el programa del computador. Con esto vemos que se cumplen los

objetivos del proyecto, aún faltando cosas para poder ser un diseño final de venta al público, pero que

realiza las funciones deseadas: comprender el protocolo Hart.

En la foto que se presenta al final de ésta sección (figura 4.6) puede observar todo el sistema

conectado, el circuito digital, con el microcontrolador, el módem y demás partes, y la conexión

mediante solo dos hilos hacia el módem del computador que se conecta al mismo vía serial. Se

observa en la pantalla del computador el programa o interfaz funcionando y en la pantalla LCD un

mensaje que da la bienvenida a Hart de Flotech S.A.

58

Figura 4.6 Sistema con capacidad de manejar el protocolo Hart

59

CAPITULO 5.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Sección 5.1.- CONCLUSIONES

• Se diseño una tarjeta digital con capacidad de comunicación mediante el protocolo Hart.

• El dispositivo diseñado contiene únicamente los comandos universales, a pesar de ello cumplen

el requisito básico de la fundación Hart.

• El diseño del firmware se realizó de modo modular, es decir, basta con incluir un case nuevo

en cada switch para poder implementar los comandos de práctica común tanto como los

comandos específicos de dispositivo.

• Al realizar la programación del protocolo en una rutina aislada de aquella que controla el sensor

como tal, se hace posible la implementación de la misma en múltiples sensores o equipos que

utilicen dicho protocolo.

• Se diseño una interfaz gráfica que corre en cualquier máquina o computador personal ya que

fue desarrollada en el lenguaje Java, de uso relativamente sencillo y fácil comprensión visual.

• El uso de dispositivo como el diseñado en este proyecto permite ahorros al momento de la

digitalización de campos industriales, ya que el protocolo hace uso de los cables instalados

para comunicación analógica de 4 – 20 mA , y no es necesario ir hasta el punto en el cual se

encuentra ubicado el sensor para cambiar la fecha, ajustes de datos o incluso calibrarlo (ésta

opción aun no se encuentra disponible).

60

Sección 5.2.- RECOMENDACIONES

• Se recomienda adquirir un software maestro para el computador, aprobado por la

Fundación Hart, para probar los equipos una vez que estén listos para ser vendidos.

Para ello se puede contactar a la compañía a la cual se le compraron los circuitos

integrados del módem hart, Smar Research Coorporation , la cual se puede contactar

mediante Internet a la siguiente dirección: http://www.smarresearch.com/.

• Adquirir de la fundación las hojas de datos y especificaciones del protocolo, las cuales si

se registra la compañía en la Fundación son enviadas como uno de los materiales de

ingreso, pero de no pretender ser miembro de la fundación se venden por separado por

un precio de $400. Para adquirir estas especificaciones de protocolo deberá contactar a

la Fundación Hart. Dirección electrónica : http://www.hartfundation.com

• Incluir en el programa del dispositivo remoto o TIGER las tablas que indican las

unidades de medida y demás símbolos que se interpreten mediante las mismas. Por

ejemplo, las unidades de metros corresponden a algún entero del 0 al 255 (se asigna 1

byte para unidades, es decir, 255 unidades de medición posibles).

• Si no se pretende adquirir el software del maestro se recomienda realizar diversas

modificaciones al programa actual en Java, dado que este no es un programa para ser

utilizado por personas ajenas a la programación en Java y al programa en sí.

• Realizar un circuito impreso final que incluya todos los componentes digitales, el

microcontrolador, el generador del lazo de corriente, el módem hart con la circuitería

correspondiente y el conversor análogo digital. Ésta deberá conectarse al circuito

impreso o a la tarjeta analógica mediante conectadores y fijarse de modo que ambas

queden estables dentro de la caja a prueba de explosión.

• Se recomienda rediseñar el filtro de salida del módem para convertirlo de un simple

circuito RC a un filtro activo. O la inclusión de un filtro integrado, disponibles en el

mercado de componentes.

61

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Bowden R., "HART Field Communications protocol. A Technical Oveview", Segunda Edición,

Agosto de 1997, 85 páginas.

2. Wilke Technology GmbH, “BASIC TIGER MANUAL” , Versión 2.8, Junio de 1998, todo el

manual.

3. Smar Research, “HT2012 HART Modem Datasheet”

4. Linear Technology, “LTC1286/LTC1298 Micropower Sampling 12-Bit A/D Converters in S0-8

Packages”

5. Analog devices, “4 – 20 mA Transmitter”

6. Smar Research, “HI 311 HART Serial Interface”

7. http:// www.hartfundation.com

8. http:// www.smarresearch.com

9. http:// www.javasun.com

ANEXO 1

HART field communication protocol

An introduction for users and manufacturers

ANEXO 2

Tablas resumen de los comandos

del protocolo Hart

ANEXO 3

Hojas de datos del integrado HT2012

ANEXO 4

Hojas de datos de la interfaz Hart HT311

ANEXO 5

Hojas de datos del integrado AD694

ANEXO 6

Hojas de datos del integrado LTC1298

ANEXO 7

Primer diseño del circuito impreso

Del módem Hart

ANEXO 8

Fragmentos del código de

el microcontrolador

'--------------------------------------------------------------------------- ' Variables para la compresión de mensajes ASCII '--------------------------------------------------------------------------- ARRAY PACKCHAR(25) OF BYTE 'arreglo que contiene el mensaje comprimido ARRAY UNPACKCHAR(33) OF BYTE 'arreglo que contiene el mensaje sin comprimir BYTE C BYTE BIT2220 'diferentes bytes para la compresión de BYTE BIT0002 'los caracteres o mensajes de texto ASCII BYTE BIT2200 BYTE BIT0022 BYTE BIT2000 BYTE BIT0222 BYTE BIT0200 BYTE BIT0220 BYTE TEMP BYTE TEMPA BYTE M,O,P,R,S,T BYTE Packet_size BYTE Unpacket_size ' variable que me da el tamaño de lo que se BYTE Unpacket_to ' comprime o descomprime. BYTE Packet_to '--------------------------------------------------------------------------- 'Rutina Principal '--------------------------------------------------------------------------- TASK MAIN ' inicio de la rutina MAIN #INCLUDE DEFINE_I.INC ' definicion de simbolos '--------------------------------------------------------------------------- ' Drivers de los dispositivos y parámetros '--------------------------------------------------------------------------- INSTALL DEVICE #LCD, "LCD1.TDD" ' instala el display (BASIC-Tiger) ' instala el driver serial y fija la tasa de baudios: INSTALL DEVICE #SER, "SER1.TDD",BD_1_200, DP_8O, JA, BD_1_200, DP_8O, JA ' <-----Ser-Ch-0-----> <-----Ser-Ch-1-----> '--------------------------------------------------------------------------- CALL INIT_KEYB ( LCD ) ' inicializa el teclado con LCD PRINT #LCD, "<01>"; ' limpia la pantalla PRINT #LCD, "Flotech S.A. HART" ' salida al Display '--------------------------------------------------------------------------- ' Variables que componen el protocolo HART '--------------------------------------------------------------------------- BYTE D D=0 CIF=02h ' codigo de identificación del fabricante CTDDF=03h ' codigo del tipo de dispositivo del fabricante PREAMBLE=14h ' numero de bytes del preambulo requeridos COMMANDREV=05h ' revision de los comandos universales COMMANDSDREV=04h ' revision de los comandos especificos de dispositivo SOFTREV=01h ' revision del software HARDREV=01h ' revision del hardware BFDD=00100000b ' banderas del funcionamiento del dispositivo 'BIT 0 = si es un dispositivo multisensor 'BIT 1 = si se requiere control por EEPROM 'BIT 2 = si es un dispositivo de puente NID(0)=25h ' numero de identificacion del dispositivo PVU=01h ' unidades de la variable primaria SVU=02h ' unidades de la variable secundaria

iii

TVU=03h ' unidades de la variable terciaria FVU=04h ' unidades de la cuarta variable FOR D=0 TO 3 PV(D)=01h ' variable primaria SV(D)=02h ' variable secundaria TV(D)=03h ' variable terciaria FV(D)=04h ' cuarta variable CURRENTLOOP(D)=05h ' corriente en mA en el lazo PORRANGO(D)=06h ' porcentaje (mA) en el rango del lazo NEXT POLLADD=0Fh ' polling address direccion de "polling" UIDTAG(0)=45h ' identificador unico asociado al tag UIDTAG(1)=52h UIDTAG(2)=49h UIDTAG(3)=4Bh UIDTAG(4)=41h UIDTAG(5)=46h UIDTAG(6)=45h UIDTAG(7)=42h FOR D=0 TO 32 MESAGE(D)=0 ' mensaje de hasta 32 caracteres NEXT FOR D=0 TO 16 DESCRIPTOR(D)=0 NEXT FECHA(0)=01h ' fecha FECHA(1)=0Bh ' fecha FECHA(2)=00h ' fecha ' Información específica del sensor SERIAL(0)=23h SERIAL(1)=24h ' número serial del sensor SERIAL(2)=25h UNITS=0 ' unidades de los límites y el rango FOR D=0 TO 3 LNS(D)=01h ' límite nivel superior LNI(D)=02h ' límite nivel inferior MS(D)=03h 'minimun span NEXT ' Información de salida ALARMA=01h ' codigo de seleccion de alarma TF=01h ' codigo de funcion de transferencia PVUNITS=04h ' unidades de la PV y del rango FOR D=0 TO 3 MAXVR(D)=08h ' mayor valor del rango MINVR(D)=04h ' minimo valor del rango DAMPV(D)=06h ' damping value en segundos NEXT CPE=46h ' codigo de proteccion a escritura EPD=98h ' etiqueta privada del distribuidor NFE(0)=00h ' numero de ensamble final NFE(1)=01h NFE(2)=02h '--------------------------------------------------------------------------- ' Variables para la compresion de mensajes ASCII

iv

'--------------------------------------------------------------------------- ' al hacer la operación And BIT2220=11111100b ' solo se extraen los 6 bits superiores BIT0002=00000011b ' solo se extraen los 2 bits inferiores BIT2200=11110000b ' solo se extraen los 4 bits superiores BIT0022=00001111b ' solo se extraen los 4 bits inferiores BIT2000=11000000b ' solo se extraen los 2 bits superiores BIT0222=00111111b ' solo se extraen los 6 bits inferiores BIT0200=00110000b ' solo se extraen los 2 bits medio izq BIT0220=00111100b ' solo se extraen los 4 bits medio FOR C=0 TO 32 ' inicializacion de los arreglos UNPACKCHAR(C)=0 ' que comprimen los datos para NEXT ' ser enviados en ASCII FOR C=0 TO 24 PACKCHAR(C)=0 NEXT '---------------------------------------------------------------------------- PERMANENTADDRESS(0)=45h ' 69 en decimal PERMANENTADDRESS(1)=46h ' 70 en decimal PERMANENTADDRESS(2)=47h ' 71 en decimal PERMANENTADDRESS(3)=48h ' 72 en decimal PERMANENTADDRESS(4)=49h ' 73 en decimal PERMANENTADDRESSB=45h ' 69 en decimal RUN TASK MesageReceiver ' llamada a la rutina principal END ' encargada de recibir los mensajes ' de entrada (comandos del maestro) '--------------------------------------------------------------------------- ' Rutina que recibe el mensaje completo desde el puerto serial '--------------------------------------------------------------------------- TASK MesageReceiver DIR_PIN 7,3,0 BYTE D,N,Z,M ' byte que se utilizan como contadores M=20 ' el preambulo tiene 20 bytes chek=54 ' inicialización del final del mensaje N=0 ' inicializacion de los contadores Z=0 D=0 WHILE Z=0 ' ciclo infinito begin: ' inicio de la rutina OUT 7,00000100b,4 ' RTS puesta en 1 para recibir MesageIn(N)=00h ' inicializo MesageIn WAIT_DURATION 50 ' espera por el proximo byte WHILE MesageIn(N)=00h ' mientras no haya entrada GET #SER,#1,0,MesageIn(N) ' recibe caracteres del puerto IF N<20 AND MesageIn(N)=0FFh THEN ' si el caracter recibido se encuentra N=N+1 ' si lo es se pasa al byte siguiente GOTO begin ' y se recibe el proximo

v

ELSE IF N>19 THEN ' si no es FFh pero es mayor que 19 GOTO program ' adelante recibe y analiza el mensaje ENDIF MesageIn(N)=00h ' 20 entonces inicializo el mensaje y N=0 ' el contador y me regreso al pricipio GOTO begin ENDIF ENDWHILE

ANEXO 9

Fragmentos del código de

la interfaz gráfica o maestro Hart

// esta es la clase Hart5.java import javax.swing.*; import javax.swing.JComponent.*; import java.awt.*; import java.awt.Component.*; import javax.swing.SwingConstants.*; import javax.swing.plaf.*; import java.awt.GridBagConstraints.*; import javax.comm.*; class Hart5 { Byte size; static TextField preambelbytes = new TextField("",20); static TextField startbyte = new TextField("",20); static TextField addressbytes = new TextField("",20); static TextField commandbyte = new TextField("",20); static TextField bytecountbyte = new TextField("",20); static TextField databytes = new TextField("",32); static TextArea mensajeout = new TextArea("",1,50,TextArea.SCROLLBARS_HORIZONTAL_ONLY); static Choice commandchoice = new Choice(); static TextArea mensajein = new TextArea("",10,50); public static void main(String a[]) { //definicion de variables JFrame f = new JFrame("MASTER TERMINAL"); JPanel p1,p2,p3; Button borrar = new Button("RESET"); Button salir = new Button("EXIT"); Button enviar = new Button("SEND"); Button ensamble = new Button("COMPONER"); CheckboxGroup grupo = new CheckboxGroup(); Checkbox largo = new Checkbox("Formato Largo",grupo,true); Checkbox corto = new Checkbox("Formato Corto",grupo,false); JLabel label1= new JLabel("Partes del mensaje HART:"); JLabel label2= new JLabel("Mensaje Enviado:",JLabel.RIGHT); JLabel label3= new JLabel("Preambulo:",JLabel.RIGHT); JLabel label4= new JLabel("Byte de Start:",JLabel.RIGHT); JLabel label5= new JLabel("Direccion:",JLabel.RIGHT); JLabel label6= new JLabel("Comando:",JLabel.RIGHT); JLabel label7= new JLabel("Cuenta de bytes:",JLabel.RIGHT); JLabel label8= new JLabel("Datos:",JLabel.RIGHT); JLabel label10= new JLabel("Mensaje del TIGER:"); JLabel label11= new JLabel("Tamaño de dirección:"); JLabel label12= new JLabel(" "); SerialConnection4 conect = new SerialConnection4(mensajeout,mensajein); ManejaEventos4 eVentos = new ManejaEventos4(mensajein,mensajeout, preambelbytes,startbyte, addressbytes,commandbyte,

iii

bytecountbyte,databytes, conect,enviar); ManejadordeSelecion selecion = new ManejadordeSelecion(startbyte, addressbytes ); ManejadordeComando comando = new ManejadordeComando(commandbyte); Font letra1 = new Font("Helvetica",Font.BOLD,14); GridBagLayout gridbag = new GridBagLayout(); GridBagConstraints c = new GridBagConstraints(); commandchoice.addItem("0"); commandchoice.addItem("1"); commandchoice.addItem("2"); commandchoice.addItem("3"); commandchoice.addItem("6"); commandchoice.addItem("11"); commandchoice.addItem("12"); commandchoice.addItem("14"); commandchoice.addItem("15"); commandchoice.addItem("16"); commandchoice.addItem("17"); commandchoice.addItem("18"); commandchoice.addItem("19"); commandchoice.addItemListener(comando); //crear el panel donde van los botones p1 = new JPanel(); p1.setBackground(Color.blue); p1.setFont(letra1); p1.add(borrar); p1.add(salir); p1.add(enviar); p1.add(ensamble); //crear el panel donde van los campos del mensaje p2 = new JPanel(); p2.setLayout(gridbag); preambelbytes.setEditable(false); bytecountbyte.setEditable(false); startbyte.setEditable(false); mensajeout.setEditable(false); commandbyte.setEditable(false); c.anchor=GridBagConstraints.EAST; c.gridwidth = GridBagConstraints.RELATIVE; //next-to-last in row gridbag.setConstraints(label3,c); p2.add(label3); c.anchor=GridBagConstraints.WEST; c.gridwidth = GridBagConstraints.REMAINDER; //end row gridbag.setConstraints(preambelbytes, c); p2.add(preambelbytes);

iv

c.anchor=GridBagConstraints.EAST; c.gridwidth = GridBagConstraints.RELATIVE; //next-to-last in row gridbag.setConstraints(label4, c); p2.add(label4); c.anchor=GridBagConstraints.WEST; c.gridwidth = GridBagConstraints.REMAINDER; //end row gridbag.setConstraints(startbyte,c); p2.add(startbyte); c.anchor=GridBagConstraints.EAST; c.gridwidth = GridBagConstraints.RELATIVE; gridbag.setConstraints(label11,c); p2.add(label11); c.anchor=GridBagConstraints.WEST; c.gridwidth = GridBagConstraints.REMAINDER; //end row gridbag.setConstraints(largo,c); p2.add(largo); c.gridwidth = GridBagConstraints.RELATIVE; gridbag.setConstraints(label12,c); p2.add(label12); c.gridwidth = GridBagConstraints.REMAINDER; //end row gridbag.setConstraints(corto,c); p2.add(corto); c.fill=GridBagConstraints.NONE; c.weightx = 0.0; c.anchor=GridBagConstraints.EAST; c.gridwidth = GridBagConstraints.RELATIVE; //next-to-last in row gridbag.setConstraints(label5, c); p2.add(label5); c.anchor=GridBagConstraints.WEST; c.gridwidth = GridBagConstraints.REMAINDER; //end row gridbag.setConstraints(addressbytes , c); p2.add(addressbytes ); c.anchor=GridBagConstraints.EAST; c.gridwidth = GridBagConstraints.RELATIVE; //next-to-last in row gridbag.setConstraints(label6, c); p2.add(label6); c.anchor=GridBagConstraints.WEST; c.gridwidth = GridBagConstraints.REMAINDER; //end row gridbag.setConstraints(commandbyte , c); //p2.add(commandbyte ); c.anchor=GridBagConstraints.WEST; c.gridwidth = GridBagConstraints.REMAINDER; //end row gridbag.setConstraints(commandchoice , c); p2.add(commandchoice ); c.anchor=GridBagConstraints.EAST; c.gridwidth = GridBagConstraints.RELATIVE; //next-to-last in row gridbag.setConstraints(label7, c);

v

p2.add(label7); c.anchor=GridBagConstraints.WEST; c.gridwidth = GridBagConstraints.REMAINDER; //end row gridbag.setConstraints(bytecountbyte , c); p2.add(bytecountbyte ); c.anchor=GridBagConstraints.EAST; c.gridwidth = GridBagConstraints.RELATIVE; //next-to-last in row gridbag.setConstraints(label8, c); p2.add(label8); c.anchor=GridBagConstraints.WEST; c.gridwidth = GridBagConstraints.REMAINDER; //end row gridbag.setConstraints(databytes , c); p2.add(databytes ); /** c.anchor=GridBagConstraints.EAST; c.gridwidth = GridBagConstraints.RELATIVE; //next-to-last in row gridbag.setConstraints(label2, c); p2.add(label2); c.anchor=GridBagConstraints.WEST; c.gridwidth = GridBagConstraints.REMAINDER; //end row gridbag.setConstraints(mensajeout, c); p2.add(mensajeout); */ c.anchor=GridBagConstraints.EAST; c.gridwidth = GridBagConstraints.RELATIVE; //next-to-last in row gridbag.setConstraints(label10, c); p2.add(label10); c.anchor=GridBagConstraints.WEST; c.gridwidth = GridBagConstraints.REMAINDER; //end row gridbag.setConstraints(mensajein, c); p2.add(mensajein); ensamble.addActionListener(eVentos); borrar.addActionListener(eVentos); enviar.addActionListener(eVentos); salir.addActionListener(eVentos); largo.addItemListener(selecion); corto.addItemListener(selecion); //agregar el panel al frame f.getContentPane().add("North",p2); f.getContentPane().add("South",p1); //reduce la pantallita al tamaño de los objetos f.pack(); conect.openConnection(); //hace visible el panel llamado primero f.setVisible(true); }

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIÍVAR ... - ingeborda.com.aringeborda.com.ar/biblioteca/Biblioteca...

Documents

Transcript of UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIÍVAR ... - ingeborda.com.aringeborda.com.ar/biblioteca/Biblioteca...