HART通讯协议

HART通讯协议

1986年Rosemount公司为它们的智能变送器开发了HART（Highway Addressable Remote Transducer）协议，后来经过不断地开发并使之用于其它设备，19年HART发展成为一种开放的协议，1990年成立了HART用户集团，HART用户集团的成员1990年有13家，到1993年已经发展为79家，于是，1993年7月成立了HART通信基金会（HART Communication Foundation-HCF），同时Fisher-Rosemount将HART协议的所有权转让给了HCF。HCF是一个的、非盈利的组织，负责推广HART协议在工业中的应用并满足HART用户的需要，它的唯一任务就是协调、推动并支持HART技术在世界范围的应用。

这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。HART 规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。

HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。

HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

第一节 HART的基本特点

1-1 HART通信协议简介

HART协议基于Bell202电话通讯标准，使用了FSK(Frequency Shift Keying)技术，在4～20mA信号过程测量模拟信号上叠加了频率信号，它成功地使模拟信号与数字双向通讯能同时进行，而不相互干扰。HART还可在一根双绞线上以全数字的方式通信，支持15个现场设备的多站网络，并且能对现场仪表的各项特性进行清楚的描述。

HART协议的特点是具有与现场总线类似的体系结构，它以国际标准化组织的开放性互联模型为参照，使用OSI的1、2、7三层：

物理层规定了HART通信采用基于Bell 202通信标准的FSK技术，基本内容是：

波特率：1200bps 逻辑1： 1200Hz 逻辑0： 2200Hz

Bell 202的信号如下图所示：

由于正弦信号的平均值为0，HART通信信号不会影响4～20mA信号的平均值，这就使HART通信可以和4～20mA信号并存而不互相干扰，这是HART标准的重要优点之一。智能设备要检出HART通信的信号，要求它有0.25V以上的电平，因而二线制智能设备与电源之间至少要有250Ω以上的电阻，以免这一信号被电源的低内阻所短路。多数现有电缆都可以用于HART通信，但最好采用带屏蔽的直径大于0.51mm2的电缆。信号传输距离的主要因素是电阻、电感与分布电容对信号的衰减。单台设备使用距离达3000米，而多站结构也可达1500米。

数据链路层规定了通信数据的结构：每个字符由11位组成，其中包括：1bit起始位，8bit数据位，1bit奇偶校验位，1bit停止位。不仅每个字节有奇偶校验，一个完整的HART数据也用一个字节进行纵向校验。HART数据格式如下图所示：

SD：帧前定界码 AD：地址

CD：HART命令(见应用层) BC：字节数

状态：变送器和通信情况(仅变送器向主设备通信时才有) CH：校验字节

由于数据的有无与长短并不恒定，所以HART数据的长度也是不一样的，最长的可包括25个字节。

应用层规定了 HART命令，智能设备从这些命令中辨识对方信息的含义。这些命令分为三类：通用命令(Universial Commands)；普通应用命令(Common-Practice Commands)及专用命令(Device－Specific Commands)。

第一类命令是通用的，对所有遵从HART协议的智能设备，不管它是哪个公司的产品都适应。例如读制造厂及产品型号、过程变量及单位、读电流百分比输出等。

第二类命令对大多数智能设备都适用，但不要求完全一样。它用于常用的操作，如写阻尼时间常数、写过程变量单位等。

第三类命令是针对每种具体设备的特殊性而设立的，这些命令用于读取调整和标定信息，以及设备的结构信息。专用命令不要求统一，有关资料可以从设备的制造商处获得。

HART通信协议允许两种通信模式：

第一种是“主—从式（MASTER-SLAVE MODE）”，也称为问答式，即主设备向从设备发出命令，从设备予以回答，每秒钟可以交换两次数据；在每个HART回路中可连接两个主设备，第一个主设备通常是DCS、PLC或PC机，第二个主设备通常是通常是手持终端或是另一台PC机。从设备包括变送器、执行机构或控制器。

第二种是“成组模式（BURST MODE）”，即主设备指示从设备自动地、连续广播标准的HART响应信息，直至主设备指示从设备停止广播。传输率每秒提高到3.7次，但这只适用于“点对点”的连接方式，而不适用于多站连接方式。

HART设备可以组态成两种网络形式：

第一种是点对点模式：在这种模式下，传统的4～20mA信号传送一个过程变量，附加的过程变量、组态参数和其他设备数据使用HART协议通过数字信号转送。4～20mA的模拟信号不会受到HART信号的影响，可用于正常的控制。而由HART传送的附加的数字信号有利于指导操作和对设备的调试、维护与诊断。

第二种是多站模式：这种模式只需要一对导线就可连接多达15个现场设备，所有的过程变量都是以数字的形式传送，流经每个设备的电流都被固定在最小的值上（通常为4mA）。

HART协议被认为是事实上的工业标准，但它本身并不算现场总线，只能说是现场总统的雏形，是一种过渡性协议。它的不足之处是速度较慢(1200bps)，而一台智能设备要么选用“成组”方式，要么在“主—从”方式中充当从设备回答主设备的询问，它不像一台现场总线设备既可作从设备，又可作主设备。由于目前使用4～20mA标准的现场仪表大量存在，所以，现场总线进入工业应用之后，HART仍会应用好多年。

1-2 HART通信协议的特点与优势

●模拟信号带有过程控制信息，同时，数字信号允许双向通信。这样就使动态控制回路更灵活、有效和安全。

●因为HART协议能同时进行模拟和数字通信，因此，在与智能化现场仪表通信时还可使用模拟表、记录仪及控制器。

●既具有常规模拟性能，又具有数字性能，用户在开始时可以将智能化仪表与现有的模拟系统一起使用。在不对现场仪表进行改进的情况下逐步实现数字化，包括数字化过程变量。

●支持多主站数字通信：在一根双绞线上可同时连接几个智能化仪表，因此节省了接线费用。

●可通过租用电话线连接仪表：多点网络可以延伸到一段相当长的距离，这样就可使远方的现场仪表使用相对便宜的接口设备。

●允许“问答式”及成组通信方式。大多数应用都使用“问答式”通信方式，而那些要求有较快过程数据刷新速率的应用可使用成组通信方式。

●所有的HART仪表都使用一个公用报文结构。允许通信主机，如控制系统或计算机系统与所有的与HART兼容的现场仪表以相同的方式通信。

●采用灵活的报文结构。允许增加具有新性能的新颖智能化仪表，而同时又能与现有仪表兼容。

●在一个报文中能处理4个过程变量。测量多个数据的仪表可在一个报文中进行一个以上的过程变量的通信。在任一现场仪表中， HART协议支持256个过程变量。

第二节 HART协议物理层技术规范

2-1 概述

HART是用于为过程控制设备提供可寻址远程通信服务的。HART提供相对低的带宽和中等响应时间的通信，用于扩展传统的4～20mA的模拟传输，其典型应用包括远程过程变量查询、参数设定和对话。

为说明方便，通常根据OSI七层通信模型将其通信设备分为数据链路层及物理层。但就硬件与软件而言，层与层之间并不一定要有明确的界限。按层划分可看作按功能区分，数据链路层需要物理层的特殊服务，这些服务可通过不同的方式来实现。

数据链路层说明了基本的HART协议，而物理层则规定了信号的传输方式、信号电压、设备阻抗和传输介质等。通常情况下，物理层以双绞线为介质，它或是单独提供数字通信，或是在完成4～20mA模拟信号传输的同时进行数字通信（1500m）。

HART数据的传输是传统4～20mA信号传输的一种扩展。它在低频的4～20mA电流上叠加了一高频电流，两种信号共享硬件，但在频率上是分开的。

HART能辨认三种不同的设备，其中最基本的是现场设备，它能对主设备发出

的命令做出响应，现场设备还可进一步分为从设备（slave device）及成组模式设备（burst-mode device）。

第二种设备是基本主设备，它是与现场设备进行通信的主要设备。一个过程控制器单元是使用一个或多个基本主设备的例子。

第三类设备是副主设备，它是链路的临时使用者。手持通信器便是一例。 其他的 HART通信方式如租用电话线及射频，允许进行远距离通信，但需满足其他的特殊要求。

HART的通信物理层规范提供了建立和使用HART网络和设备的基本信息，这些信息用来：（l）提供HART设备间的互操作性；（2）在各种条件下提供可接受的通信；（3）减小与4～20mA信号之间的窜扰。

2-2 网络要求 1．硬件

下列类型的硬件组网中可能用到： 信号发生单元： ①基本主设备 ②现场仪表 ③副主设备

非信号发生单元： ④模拟控制器

⑤电缆（通信介质） ⑥网络点源

⑦本质安全隔离栅

2．网络拓扑结构

网络拓扑结构如图所示。信号发生单元可接在网络的任何位置。现场仪表和副 主设备均为并联。每个信号发生单元只能有一条途径与其他单元相连（网络中不能有环路）。

HART拓扑结构

网络至少需要一个主设备或模拟控制器和一个现场仪表。本质安全栅可被置于主设备或模拟控制器与网络之间，副主设备可在安全栅的任何一侧，如需要，网络电源可通过基本主设备或模拟控制器内的不同阻抗连于网络。

网络的一个或多个部分的组合可被组合在一个设备中，产品说明中应指明这种组合是否存在及在多大程度上存在。

连接点可放在网络的任何位置。连接点仅仅是一个电气连接，不包括中继器或其他可主动或被动参与通信的设备。混合设备也可置于网络的任何位置。

在网络工作时，现场仪表可以被移走或更换，副主设备也可被连到网络上。在连接或断开时，可能出现通信的暂时中断。在网络工作时必须避免通信电缆间两根导线的短路。

不同的HART网络只能在其基本主设备或模拟控制器附近有一处公共连接。 在多点网络中，当主设备或模拟控制器与同一根电缆中的多对线相连时，主设备或模拟控制器通常需置于电缆的一端，主设备与多对电缆之间不能接入单对电缆。

其他非HART设备，除4～20mA电流环外，与HART网络仅有地线相连。 分离的HART网络可共用同一多对电缆。如多对电缆中的一对用作HART网络，那么电缆中的其他对线必须处于下列状态之一：

（1）未用。

（2）用作其他HART网络。

（3）用作4～20mA电流环，且电流的变化遵守等效现场仪表的。 （4）用于馈送直流电源，其电流的变化也应满足等效现场仪表的。

第三节 HART数据链路层协议规范简介

HART协议采用工具方式描述，可用于各种微处理器及编程语言。

协议的目的是建立一种与现场仪表等从设备间的可靠的双向数字通信通道，数据通信与4～20mA电流的传输在双绞线上同时进行。协议可以对通信中因噪声引起的错误进行修正，这是通过错误检测信息及自动重发请求协议（ARQ），对被噪声或其他干扰破坏的数据进行自动重发实现的。

当不使用4～20mA信号时，一个通信链路可连接多达15个短地址从设备，若使用长地址，设备数可不受，它只取决于所要求的通信链路上的查询速率。

协议可对基本主设备和副主设备对现场设备的访问进行仲裁。当它们同时使用时，协议将给两种主设备相同的访问通信通道的权力。对于两个基本主设备或两个副主设备试图在同一电缆的通信，协议不能仲裁。

考虑到从设备到主设备的经常性的信息传输，协议支持从设备在通信通道上进行周期性广播的成组模式（burst mode）通信。当通信链路上只有一个从设备被激活时，从设备将进入成组模式而提供同步循环数据广播，无需主设备的不断查询。

链路上设备间的信息传输是通过一定的格式实现的。帧信息通过垂直和纵向奇偶校验进行保护，信息帧中包括帧起始界定符和数据长度场。

通信协议能识别三种不同的设备类型。最基本、最常用的是从设备，这种设备接收或输出含有过程量或其他数据的信息，但只在被请求时才进行通信，即该类型的设备在主从关系的通信中总是作为从者。

协议能辨识的第二种设备是成组模式设备。这种设备无需数据请求即可周期性地进行包含过程量及其他信息的数据发送，亦即这类设备通常作为的数据广播

设备。成组模式设备是具有成组通信能力的从设备，当这种模式被使能时，设备处于成组模式。

第三种能被协议识别的设备是主设备。主设备负责从设备及成组模式设备的初始化、数据交换及控制功能。为使两种主设备能同时在通信链路上使用，协议具有对基本主设备和副主设备进行区别的能力。

下图是HART协议实现的概念模型，它只是一个参考模型，而不是实际实现的描述。其目的是描述的不同服务、接口及协议组件之间的关系。如图所示，该模型分为5个组成部分。其中的两个用户协议接口和协议物理层接口描述了提供给相邻层或被相邻层请求的服务。其他三部分构成协议本身。接收和发送部分描述了消息传输和接收的处理，而链路层协议部分通过调用上述部分来实现其余 的协议。

HART协议模型

第四节 HART命令简介

HART协议的应用层为HART命令，HART设备通过这些命令辨别对方信息的含义。这些命令分为通用命令（Universal Commands）、普通应用命令（Common-Practice Commands）及专用命令（Device-Specific Commands）。通用命令对所有遵从HART协议的智能设备，不管它是哪个公司的产品都适应。例如读制造厂及产品型号、原始过程变量及单位、读电流输出百分比输出等。普通应用命令对大多数HART智能设备都适用，但不要求完全一样。它用于常用的操作，如写阻尼时间常数、标定、写过程变量单位等。专用命令是针对每种具体设备的特殊性而设立的，因而，它完全不要求统一。

HART协议的各种命令统一由HART数据帧中的命令字节进行二进制编码，也就是说，HART协议最多可提供256种不同的命令。HART通信协议的有关文档中给出了HART命令的详细规范，包括命令功能、数据格式、响应码等。

4-1 主机命令的一致性分类

一致性分类是指根据主机所实现的功能的水平将命令分为几类。每组命令所完成的功能包括了所有级别较低的各组的功能一，第一类的级别最低，第五类的级别

最高。主机可以有选择地实现各种命令的功能而不必考虑其分类，但如果一个主机能够实现某一类及其级别较低的类别的所有命令的功能，则该主机只能归于该类。

下面是命令的分类及其描述。 类别 描述 1 用于获取基本变量的只读命令 1A 用于获取基本变量的量程百分比及电流的只读命令 2 从所有设备中获取通用信息的只读命令 3 用于获取各个设备的专有信息的只读命令，可访问设备中的所有信息 4 向每个设备发送一般操作所需信息的只写命令 5 向每个设备发送初始设置所需信息的只写命令 其他 不属于以上类别的读写功能，这些命令将不能被另一厂家的主机处理

一致性分类命令仅包括通用命令和普遍应用命令。下面列出了各类命令的编码及用途。

类别#1 （通用命令） 0 读设备识别码 1 读基本变量

类别#1A （通用命令） 0 读设备识别码 1 读基本变量量程百分比及电流

类别#2 （通用命令） 4 保留位 11 读与位号（Tag）有关的标识符 12 读与设备有关的信息 13 读位号、设备描述及日期 14 读基本变量的传感器信息 15 读基本变量的输出信息 16 读最终的仪表组号

类别#3 （通用命令） 3 读所有的动态变量及电流

（普通应用命令）

33 该变送器的变量 48 读附加变送器状态 50 读动态变量的赋值 读变送器变量信息 57 读单位标记、设备描述及日期 60 读模拟输出及其百分度 61 间读动态变量及基本变量模拟输出 62 读模拟输出

63 70 110

类别#4 读模拟输出信息 读模拟输出上下限 读所有动态变量

（普通应用命令） 34 35 36 37 38 39 40 41 42 47 55 65 66 69

类别#5 5 6 17 18 19 43 44 45 46 49 51 52 53 56 58 59 67 68

写基本变量阻尼值 写基本变量量程值 设置基本变量上限 设置基本变量下限 复位组态改变标志 EPROM控制

进入/退出固定基本变量电流模式进行变送器自检 主设备复位

写基本变量传输功能 写变送器变量阻尼值 写模拟输出附加阻尼值 写模拟输出范围

进入/退出固定模拟输出模式 写模拟输出传输功能 （通用命令） 保留

写轮询地址

写与设备有关的消息 写标记、设备描述及日期 写最终仪表组号 （普遍应用命令） 设置基本变量零点 写基本变量单位

调整基本变量电流DAC零点 调整基本变量电流DAC增益 写基本变量传感器系列号 写动态变量赋值 设置变送器变量零点 写变送器变量单位

写变送器变量传感器系列号 写单位标记、设备描述及日期 写响应前导码个数 调整模拟输出零点， 调整模拟输出增益

107 108 109 111 112 4-2

写成组模式变送器变量 写成组模式命令号 成组模式控制 传输服务控制 传输服务

变送器命令分类

变送器命令有通用、普通应用、变送器专用三类、定义如下：

通用命令：所有设备均支持这些命令，这些命令提供的功能为所有的设备所具有。

普通应用命令：多数设备支持这些功能，这些命令提供的功能不一定所有设备都具有。

变送器专用命令：只有一个或几个设备适用，该命令用于对每个设备实现标定、特殊数据处理等特殊功能。

变送器命令的分配如下 命令编码 命令种类 0 通用命令 : : 30 通用命令 31 保留 32 普通应用命令 : : 127 保留 128 变送器专用命令 : : 253 变送器专用命令 2 保留 255 保留

第五节 HART协议的应用

HART是Rosemount公司推出的一套过渡性临时标准，目前已受到广泛承认，并成为一项事实上的国际标准。据1994年统计，世界上智能变送器市场中符合HART协议的产品占76％。目前这项技术还处于上升期，全世界已有上百家著名公司采用了这一协议，而且成立了非盈利组织 HCF（HART通信基金会），以便发展和组织推广这项技术。

HART通信的应用通常有三种方式，最普通的是用手持通信终端（HHT）与现场智能仪表进行通信。通常，HHT供仪表维护人员使用，不适合于工艺操作人员经常使用。HHT完全用手操作，无法自编程序对智能仪表进行自动操作，这种方式简单，但不够方便灵活。

为克服上述不足，市场上出现了一些带HART通信功能的控制室仪表，如

Arocom公司的壁挂式仪表MID，它可与多台HART仪表进行通信并组态，实现灌区、加热炉等小规模控制系统。

第三种方式是与PC机或DCS操作站进行通信。这是一种功能丰富、使用灵活的方案，但它会涉及接口硬件和通信软件问题，特别是这种应用带有系统性质，以使它与整个系统成为有机的整体。在DCS上增加HART功能被认为是一种较勉强的方式，因为HART通信传输的信息大多为仪表维护及管理信息，挤占DCS的操作站不太合适。而在PC机上增加HART通信功能及相应软件构成的设备管理系统（EMS）则较受欢迎。

由于HART仪表与原4～20mA标准的仪表具有兼容性，HART仪表的开发与应用发展迅速，特别是在设备改造中受到欢迎。尽管HART通信被认为是一种过渡性的标准，但其发展之快令人注目。在国际上其销售额目前仍处于上升期，而在国内可以说仅仅是开始。因此，从事HART仪表及相关技术的开发仍具有现实意义。

HART协议与FF等协议相比，较为简单，而且由于速度慢及低功耗的要求，其数据链路层及应用层一般均由软件实现。物理层应用原有的Bell 202调制解调器。这使得一些小型企业地开发一些专用HART设备成为可能。总线供电的HART仪表对低功耗的要求较为苛刻，要求其从总线吸取的电流不大于4mA，在供电电压为24V时其总功耗仅约100mw。因此，总线供电的HART仪表需使用典型的低功耗器件及高效的电源变换技术。如采用单独的电源线供电，则可以解决低功耗的。

为解决不同厂家的设备的互换性及互操作性问题，HART采用了设备描述语言 （DDL），这使得连接设备的软件说明按仪表供应商规定的格式写出。具有这种说明能力的便携式通信装置或控制系统能够立即识别新接入的设备，包括其具备的全部特有功能、菜单等。HART DDL模块目前可由许多厂商提供。新的手持通信器已开发出来，它具有存储大量DDL的容量，以便用户能够装载所需要的DDL模块，使通信装置识别新接入的设备。