HART over WAV
Hintergrund
HART (Highway Addressable Remote Transducer) ist ein Kommunikationssystem, welches häufig in der Automatisierungsindustrie eingesetzt wird. Es erweitert den 4-20 mA Standard um eine bidirektionale Kommunikation und ist abwärts-kompatibel. HART Modems gibt es von den Firmen Endress und Hauser, Foxboro, smar, ifak systems und sicherlich vielen weiteren Firmen. Der Preis beginnt bei 300 US-$ (laut Automation-World).
Ein wesentlicher Grund für den hohen Preis ist die Ex-Anforderung: die Geräte sind explosionsgeschützt und für diesen Schutz zertifiziert. Für Testzwecke werden HART Modems jedoch oft in nicht explosiven Umgebungen eingesetzt. Ob hier ggf. eine kostengünstige Alternative eingesetzt werden kann?
Die HART Technologie verwendet einen Wechselstrom von 0,5 mA, um auf dem analogen 4-20 mA Wert digitale Signale aufzutragen. Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt 1200 Baud. Es kommt dabei ein Bell 202 Standard zum Einsatz, der Frequenzen von 1200 Hz bzw. 2200 Hz benutzt.
Auslöser
Bei einem HART Gerät war die Kommunikation ausgefallen. Der Grund dafür war unbekannt, eine Sichtung der Hardware ergab keine Schäden. Da ein Oszilloskop vorhanden war, schlossen wir das Oszilloskop an den Widerstand an, an dem auch das HART Modem angeschlossen war. Die nun sichtbaren HART-Signale waren zu schwach (<< 0,5 mA), um als HART Signale erkannt zu werden.
Die Signale auf dem Oszilloskop erinnerten uns Software-Entwickler an Wellen aus WAV-Editoren. Damals noch neu in der HART Technologie ermittelten wir die Frequenzen anhand des Rasters auf dem Oszilloskop. Das Ergebnis war, dass es sich tatsächlich um hörbare Frequenzen handeln musste. Eine kurze Google-Recherche bestätigte die Beobachtung.
Das Problem konnte durch Einsetzen eines höheren Widerstands gelöst werden, die WAV-Idee ging uns jedoch nicht mehr aus dem Kopf.
Pionierarbeit
Theoretisch sind HART Signale mit einer Frequenz von 1200 und 2200 Hz für den Menschen hörbar, man musste sie nur hörbar machen. Elektrische Signale macht ein Lautsprecher hörbar. Allerdings kann man einen gewöhnlichen Lautsprecher nicht parallel zum HART Widerstand anlegen, da der Lautsprecher den Widerstand kurzschließt.
Um den Stromfluß durch den Lautsprecher auf das HART Signal zu begrenzen und den 4-20 mA Anteil zu kappen, legt man zunächst einen Kondensator vor den Lautsprecher. Als Lautsprecher verwendet man dann eine aktive Box (mit Verstärker). Kommuniziert man jetzt mit dem HART Gerät, kann man die Signale tatsächlich hören.
Die jetzt hörbaren Signale haben wir mit einem Mikrofon aufgenommen, und damit quasi ein Speicher-Oszilloskop nachgebildet. Sehr deutlich waren die Signale allerdings nicht: für eine anschauliche Darstellung der Bell 202 Kodierung reichten sie nicht aus.
Die Qualität der aufgezeichneten Signale konnten wir deutlich verbessern, indem wir den Umweg über den Lautsprecher und das Mikrofon durch eine direkte Verbindung ersetzt haben. Dies ist jedoch nicht ganz ungefährlich, da auf den HART Adern eine Fremdspannung anliegt, die bei unsachgemäßer Handhabung die PC-Hardware beschädigen könnte.
Anfrage und Antwort
Im Bild erkennt man zweimal je eine Anfrage des HART Masters und die Antwort des Geräts. Die Ströme unterscheiden sich: der Master erzeugt niedrigere Stromwerte als das Gerät.
Einarbeitung
Da wir nun genauer über HART Bescheid wissen wollten, lasen wir einige Artikel über HART im Internet. Schon wenig später wussten wir, wie sich das Signal grundsätzlich aufbaut und wie man korrekte HART Nachrichten erzeugt. Einige Klassen erstellen aus einer zu übermittelnden Nachricht die dazugehörige Bitfolge inklusive Präambeln und Parity-Bits bereit.
Hilfreich war hierbei eine Präsentation der HART Foundation (ab Folie 13) [rev. 2008-12-07], sowie eine Kurzbeschreibung des HART Protokolls von smar [rev. 2008-12-07].
Der nächste Schritt bestand darin, aus den einzelnen Bits eine perfekte WAV-Datei ohne Rauschen zu erstellen, die man dann in einem WAV-Editor genauer unter die Lupe nehmen konnte. Beim WAV-Format gibt es einige Varianten, die unkomprimierte Speicherung ist jedoch ebenfalls recht einfach verständlich.
Ideen
Idee 1: Die Soundkarte könnte das Oszilloskop ersetzen. Ggf. kann man mit einer Soundkarte den HART Bus auf HART Signale überprüfen. Über eine Analyse des Rauschens könnte man sogar eine Aussage über die Qualität des HART Signals machen. Die uns bekannten HART Modems bieten eine solch detaillierte Analyse nicht an.
Idee 2: Wenn man die HART Signale schon analysiert, kann man auch einen Datenlogger schreiben. Dazu führt man z.B. eine Fourier-Transformation durch und kann die Bits rekonstruieren. Somit lässt sich die HART Nachricht ermitteln und alle Nachrichten aufzeichnen.
Idee 3: Was in die eine Richtung geht (Aufnahme), könnte auch in die andere Richtung gehen (Abspielen). Mit der Soundkarte lassen sich möglicherweise HART-Signale auf den HART Bus übertragen. Dann kann man sich das 300$ teure HART Modem sparen und zumindest zu Testzwecken (nicht Ex-geschützt) eine günstige Alternative verwenden.
Prototypen
Idee 1: Es existieren Berechnungen, die zeigen, dass die Randbedingungen für diese Idee mit einem Line-Out-Anschluss erfüllt werden können. Ein Hardware-Prototyp existiert jedoch noch nicht. Auf die Entwicklung von Software wird verzichtet, da die Signale mit beliebiger Freeware (z.B. Audacity) aufgezeichnet werden können.
Idee 2: Es existieren Klassen für FFT, mit denen eine Fourier-Analyse auf WAV-Dateien durchgeführt werden kann. Es existiert weiterhin eine rudimentäre Oberfläche, mit der das Ergebnis der Fourier-Transformation betrachtet werden kann. Man kann hier die einzelnen Bits der Nachricht wiedererkennen.
Idee 3: Es existieren bereits C# Klassen, mit denen eine HART Nachricht erstellt werden kann und welche die HART-Nachricht auf Bit-Ebene ausgeben können. Es existieren weiterhin Klassen für die Generierung von WAV Dateien. Damit lässt sich eine rauschfreie HART Nachricht erzeugen. Für Schulungszwecke könnte dies bereits interessant sein, da sich die Datei in einem WAV-Editor betrachten lässt.
Wellenform
Spektrum
Tonhöhe
Produktisierung
Wenn Sie Interesse an einer der Ideen haben, wenden Sie sich an Thomas Weller.
Wir führen auch gern eine Schulung zum Thema durch, bei dem Sie die Experimente selbst wiederholen können. Falls Sie noch keine Erfahrung mit HART haben, geben wir auch gern eine Einführung. Durch die Experimente wird HART viel einfacher begreifbar, als trockener Unterrichtsstoff.
