第十讲 HART 通讯协议

HART通讯协议第九章主要内容

主要内容

HART协议：HighwayAddressableRemoteTransducer〔可寻址远程传感器数据公路〕，是由Rosemount公司于1986提出的用于现场智能仪表和控制室设备间通讯的一个过渡性协议。实现4~20mA模拟信号与数字通讯兼容的标准，是现场总线的过渡性标准。HART协议是一个开放性协议，已成为智能仪表事实上的工业标准：1996年，HART协议产品产量为60万台，Fisher-Rosemount公司的25万台变送器中HART协议产品约占76%。9.1HART协议简介协议根本情况2、支持双绞线全数字通信，可构成15个站网络3、支持OSI开放体系结构，1、2、7、层OSILayerFunctionHART7ApplicationProvidestheUserwithNetworkCapableApplicationsProvidestheUserwithNetworkCapableApplications6presentationConvertsApplicationDataBetweenNetworkandLocalMachineFormats5SessionConnectionManagementServicesforApplications4TransportProvidesNetworkIndependent,TransparentMessageTransfer3NetworkEndtoEndRoutingofPackets.ResolvingNetworkAddresses2DataLinkEstablishesDataPacketStructure.Framing,ErrorDetection,BusArbitrationABinary,ByteOriented,TokenPassingMaster/slaveProtocol1PhysicalMechanical/ElectricalConnectionTransmitsRawBitStreamSimultaneousAnalog&DigitalSignaling.Normal4-20mACopperWiring通信模型HART命令数据链路层协议标准Bell202物理层载波传输数据链路层通信方式：1〕主从式通信由主设备来控制数据帧的传送最多允许15个从设备连接到一条多点通讯线上2〕突发模式从设备定时重复发送数据帧3〕半双工通讯方式寻址范围：0~15当地址为0时，处于4~20mADC与数字通信兼容状态。当地址为1~15时，那么处于全数字通信状态。数据链路层1bit起始位+8bit数据+1bit奇偶校验位+1bit停止位最多25字节规定通信数据的结构，每个字符由11位组成：应用层规定HART命令：第一类通用命令第二类普通应用命令第三类专用命令应用层通用命令：对所有符合HART协议的现场设备都适用的命令。包括以下内容：读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数；读出传感器串联数目及其限制；写入轮询地址；读出制造厂及产品型号；读出主变量及单位；读出电流的输出及百分比输出；读写8个字符的标牌号，16个字符的描述内容以及日期等；应用层普通应用命令：适用于大局部符合HART协议的产品，但不同公司的HART产品可能会有少量区别，如写主变量单位，微调DA的零点和增益等：写入阻尼时间常数；写入变送器量程；标定〔设置零点和量程〕；微调主变量零点；微调DAC的零点和增益；完成自检及主机复位；应用层特殊命令：仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微调传感头校正等。：读出或写入开方小流量截断值；启动、停止或去除累积器；选择主变量〔质量流量或密度〕；读出或写入组态信息资料；微调传感器的标定；HART通讯模式第一种“问答式〞：2次/秒，适用点对点、多站连接第二种“成组模式〞：3.7次/秒，只适用点对点连接HART协议特点和优点1、模拟信号带有过程控制信息，数字信号允许双向通信。2、(智能化现场仪表+模拟仪表、记录仪及控制器)混合

系统3、支持多主站数字通信，节省导线，减少安装费4、通过租用线连接仪表，使远方的现场仪表使用相对廉价的接口设备。5、允许“问答式〞及“成组模式〞通信方式。6、报文结构灵活、标准、一次通信可携带4个过程变量主要内容

物理层规定：

信号的传输方式、信号电压、设备阻抗和传输介质等。通常以双绞线为传输介质。HART数据传输是4~20mA数据传输的扩展，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协议硬件、数据链路层、物理层之间的关系应用层微处理器链路层协议数据信息错误控制异步收发器（UART）调制解调器（MODEM）物理层信号电压频率

电缆传输介质HART能识别三种不同的设备：第一种是最根本的现场设备，包括从设备和成组模式设备；现场仪表第二种设备是根本主设备，它是与现场设备进行通信的主要设备；第三类设备是副主设备，它是链路的临时使用者。物理层标准提供了建立和使用HART网络和设备的根本信息，这些信息用来：(1)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。信号发生单元：现场仪表、根本主设备、副主设备非信号发生单元：模拟控制器、电缆、网络电源、本质平安隔离栅、接线盒、接线板、连接件、混合硬件〔通信器件〕网络硬件信号发生单元根据功率要求及设备是向网络提供还是从网络吸收一偏置电流或操作电流，现场设备可分为四类：A、B、C、D类型描述ABCD从网络吸收直流，并从网络吸收操作功率从网络吸收直流，但不从网络吸收操作功率向网络提供直流，不从网络吸收操作功率不提供直流，也不吸收直流和操作功率现场设备的分类参数点对点网络多点网络基本主设备数目0或11副主设备数目0或10或1现场仪表数目（可能受到功率、单元电容或网络特性阻抗的限制）11~15单元极性有极性或无极性有极性或无极性（可混合用）现场仪表类型ABC或DA，B和D可混用C和D可混用允许现场仪表信号类型数字型或数字+模拟型只有数字型信号发生单位的组合网络拓扑结构要求：1、信号发生单元可接在网络的任何位置。2、现场仪表和副主设备均为并联。3、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拓朴结构4、网络至少需要一个主设备或模拟控制器和一个现场仪表。5、本质平安栅可被置于主设备或模拟控制器与网络之间，副主设备可在平安栅的任何一侧。6、网络的一个或多个局部的组合可被组合在一个设备中。7、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，混合设备也可置于网络的任何位置。8、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。9、在网络工作时必须防止通信电缆间两根导线的短路。10、不同的HART网络只能在其根本主设备或模拟控制器附近有一处公共连接。11、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。12、别离的HART网络可共用同一多对电缆。电缆特性与长度电缆应单对屏蔽或多对一起屏蔽。电缆导线的最小直径尺寸如下：总长小于5000英尺：#24AWG〔芯线直径0.51mm)总长大于5000英尺(单对)：#24AWG(芯线直径0.81mm)采用单对电缆时，网络中电缆的最大长度L应小于10000英尺(3000m)。多对电缆的最大长度应限制5000英尺(1500m)以内。假设多对电缆与单对电缆一起组网，那么网络中电缆的最大长度不超过5000英尺(1500m)。电源馈送与隔离栅现场仪表对电源的需求取决于现场仪表的类型。需要从网络以外的地方获取能量的B，C，D型现场仪表，可以通过多对电缆中的另外某对电缆供电。现场仪表类型网络供电A从网络吸收直流，并从网络吸收操作功率B从网络吸收直流，但不从网络吸收操作功率C向网络提供直流，不从网络吸收操作功率D不提供直流，也不吸收直流和操作功率需要需要不可用不要求，但可用现场仪表对电源需求如网络需要供电，电源应接于根本主设备或

模拟控制器处。有供给和回流栅只有供给栅网络电源连接屏蔽与接地一点接地开路状态有隔离栅的屏蔽与接地没有隔离栅的屏蔽与接地数字信号要求HART信号由双绞线的两根导线之间的电压构成，它由主设备产生。HART数据帧以异步方式传送串行字节序列。

HART数据采用二值相位连续式频移键控信号以每秒1200比特的速率传送。一个字节有11位。HART数字信号帧主要内容

9.3数据链路层概述协议可以对通信中因噪声引起的错误进行修正。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。协议支持从设备在通信通道上进行周期性播送的成组模式通信。协议可对根本主设备和副主设备对现场设备的访问进行仲裁。链路上设备间的信息传输是通过一定的格式实现的。通信协议能识别三种不同的设备类型。从设备、成组模式设备、主设备。数据帧格式：主从设备之间的短型帧类型编码001成组模式帧010STX帧110ACK帧其余均保存数据帧格式：主从设备之间的长型帧类型编码001成组模式帧010STX帧110ACK帧其余均保存数据帧格式——成组设备至主设备的帧

注：成组模式设备只产生长帧响应码场的第一字节的第7位总是被清零，因为此模式没有报告通信错误的消息。第二个字节含有数据链路与设备状态。帧类型编码001成组模式帧010STX帧110ACK帧其余均保存主要内容

9.4HART命令HART协议的应用层为HART命令，HART设备通过这些命令区分对方信息的含义。通用命令、普通应用命令、专用命令三种。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。28命令场的8位字节。主机命令的一致性分类命令分类及其描述：类别描述1用于获取根本变量的只读命令1A用于获取根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编码和用途举例一致性分类命令仅包括通用命令和普通应用命令。类别1(通用命令〕0读设备识别码1读根本变量类别1A(通用命令〕0读识别码1读设备根本变量量程百分比及电流类别2(通用命令)4(100)2保存位11(1011)2读与位号(Tag〕有关的标识符12(1100)2读与设备有关的信息变送器命令分类变送器命令有通用、普通应用、变送器专用三类变送器命令分配如下：命令编码命令种类0通用命令30通用命令31保存32普通应用命令127保存128变送器专用命令253变送器专用命令254保存255保存响应码信息—第一个字节响应码的第一个字节的第7位如果置位，那么剩余的位包含了有关通信错误的信息；第一个字节的第7位如果复位，那么剩余的位用来表示命令响应信息。1023456710234567byte1byte2响应码信息—第一个字节Bit7=1时，其余位表示接收时的错误信息：Bit6垂直奇偶校验错误Bit5覆盖错误Bit4帧错误Bit3纵向奇偶校验错误Bit2保存，应清零。Bit1缓冲区溢出Bit0未定义：至今尚未定义Bit7=0时，那么该字节包含有关命令执行情况的信息。其余bit6-bit0编码，范围无符号整