Cấu trúc gói tin & Command trong giao thức HART

Trong các phần trước của Series HART, BKAII và các bạn đã cùng nhau đã tìm hiểu tổng quan về giao thức HART và nguyên lý truyền thông FSK trên nền tín hiệu 4–20mA. Ở phần này, bài viết thứ 3 của chuỗi, chúng ta sẽ đi sâu vào cấu trúc gói tin (frame) và cơ chế Command trong HART, giúp bạn hiểu rõ cách dữ liệu được đóng gói, truyền đi và kiểm tra lỗi nhé!

1. Tổng quan frame truyền thông HART

Mọi dữ liệu trong giao thức HART đều được truyền dưới dạng các gói tin (frame). Mỗi frame bao gồm nhiều trường liên tiếp, được thiết kế nhằm đảm bảo khả năng đồng bộ, định địa chỉ, thực thi lệnh và phát hiện lỗi trên đường truyền 4–20mA.

Một frame HART tiêu chuẩn có cấu trúc:

Preamble | Delimiter | Address | Command | Data | Checksum

2. Preamble – Chuỗi đồng bộ

Preamble là chuỗi các byte 0xFF được gửi ở đầu frame, thường có độ dài từ 5 đến 20 byte.

Chức năng chính của preamble là:

• Đồng bộ hóa thiết bị nhận với luồng dữ liệu
• Ổn định modem HART trước khi dữ liệu thực sự bắt đầu
• Giúp phân biệt tín hiệu số với nhiễu trên đường dây

3. Delimiter – Nhận dạng loại frame

Delimiter là 1 byte nằm sau preamble, được sử dụng để xác định loại gói tin (request/response) và kiểu địa chỉ được sử dụng trong frame.

4. Address – Địa chỉ thiết bị HART

HART hỗ trợ hai dạng địa chỉ:

• Short Address (1 byte): dùng cho kết nối điểm–điểm
• Long Address (5 byte): dùng cho chế độ đa điểm (multi-drop), giúp nhận dạng duy nhất từng thiết bị

5. Command – Lệnh trong HART

Command là thành phần trung tâm của frame HART, xác định hành động mà Master yêu cầu Slave thực hiện.

Các command trong HART được chia thành:

• Universal Commands
• Common Practice Commands
• Device-Specific Commands

Nhờ hệ thống command này, HART cho phép không chỉ đọc giá trị đo, mà còn cấu hình, chẩn đoán và bảo trì thiết bị từ xa.

6. Data – Dữ liệu truyền tải

Trường Data chứa thông tin cụ thể tương ứng với command, có độ dài thay đổi tùy theo loại lệnh và thiết bị.

7. Checksum – Kiểm tra lỗi

Checksum là byte cuối cùng của frame, được tính bằng phép XOR của toàn bộ dữ liệu từ Delimiter đến Data.

Cơ chế này giúp phát hiện lỗi truyền thông và đảm bảo tính toàn vẹn của gói tin.

8. Phân tích một gói tin HART thực tế

Để hiểu rõ hơn cấu trúc frame và cơ chế Command trong HART, phần này sẽ phân tích một ví dụ gói tin HART điển hình được sử dụng phổ biến trong thực tế.

Dưới đây, chúng ta giả sử Master gửi Command 0 (Read Unique Identifier) tới một thiết bị HART để đọc thông tin nhận dạng cơ bản.

8.1. Frame HART – Dạng dữ liệu thô (Hex)

FF FF FF FF FF 82 01 00 5A

Trong đó, từng byte trong frame mang ý nghĩa như sau:

8.2. Bảng phân tích chi tiết gói tin

8.3. Frame Response từ thiết bị HART

Sau khi nhận được Command 0, thiết bị HART sẽ phản hồi lại Master bằng một frame Response chứa thông tin nhận dạng.

FF FF FF FF FF 86 01 00 00 1A 2B 3C 4D 6F

8.4. Phân tích dữ liệu phản hồi

8.5. Ý nghĩa thực tế của ví dụ

Qua ví dụ trên, có thể thấy rõ cách giao thức HART đóng gói dữ liệu thành các frame có cấu trúc chặt chẽ. Nhờ đó, hệ thống điều khiển có thể:

• Nhận dạng chính xác từng thiết bị HART
• Đọc dữ liệu đo và thông tin cấu hình từ xa
• Phát hiện lỗi truyền thông một cách tin cậy

Đây chính là nền tảng giúp HART trở thành giao thức được sử dụng rộng rãi trong đo lường và tự động hóa công nghiệp.

9. Kết luận

Thông qua việc phân tích cấu trúc gói tin và command trong HART, chúng ta có thể thấy rõ cách giao thức này đảm bảo khả năng truyền dữ liệu số an toàn, tin cậy trên cùng đường dây analog 4–20mA. Đây chính là nền tảng cho các ứng dụng cấu hình, giám sát và bảo trì thiết bị hiện trường trong công nghiệp.