HART协议和FF技术———————————————————————————————— 作者：———————————————————————————————— 日期： 18 个人收集整理 勿做商业用途第二章 HART协议HART是可寻址远程传感器数据公路(Highway Addressable Remote Transducer)的缩写,它是由Rosemount公司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所谓“过渡”就是指HART兼容了传统4~20mA模拟信号与数字通讯信号HART通讯协议参照“ISO/OSI”的模型标准，简化并引用其中的1，2，7三层制定而成，即：物理层、数据链路层和应用层,如表2本章仅对HART协议作简要介绍，详见参考文献［1］，[2],[3］，[4] OSI层次 HART层次 第七层 应用层 HART命令层 第六层 表示层 第五层 会话层 未使用 第四层 传输层 第三层 网络层 第二层 数据链路层 HART协议规则 第一层 物理层 Bell 202 FSK表2.1 HART协议层次 2.1 HART协议的物理层本节主要描述了HART协议的物理层的信号模式和传输介质等，这些都是与OSI协议参考模型的物理层的规定相一致的. 2.1。
1 FSK频移键控HART协议采用了Bell202标准的FSK频移键控信号它在4～20mA的模拟信号上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波，一个1200Hz的波形代表逻辑“1"，两个2200Hz的波形代表逻辑“0”，如图21所示.由于所叠加的正弦信平均值为0，所以不会影响4～20mA的输出电流因此,模拟仪表在数字通讯时仍可以照常工作,这是HART协议的重要优点之一HART协议的数据传送速率为1200波特，比较慢，在控制系统发展后将会显示出它的局限性图2.1 HART通讯信号HART协议信号频率和传送速率的选择依据美国Bell202标准，该标准用于在网上传送数字信息因此，合适的低价位的MODEM集成芯片可广泛应用.HART协议规定主设备(主控制器或手执通讯器)传送电压信号，而从设备传送电流信号普通二线制变送器是通过控制环路电流来正常运行的,很容易把这种控制扩展到含有低幅高频的HART通讯信号的元件的系统.在HART设备和电源之间至少要接230Ω以上的负载电阻，通讯时变化的电流信号即通过该电阻转化为相应的电压信号因此所有设备应采用电压敏感的接收器电路HART通讯信号电平如下表2.2所示主设备传送的信号min:400mV；max：600mV从设备传送的信号min：0.8mA;max:1。
2mA接收器灵敏度(要求必须正确接收）120mV～2.0V接收器阈值0~80mV最大的从设备信号,由1100Ω负载转换1320mV最小的从设备信号，由230Ω负载转换184mV表2.2 HART通讯信号电平（均为峰峰值）接收器灵敏度的规定允许由电缆或其它元器件引起的适度的信号衰减接收器阈值的规定减少了外来信号的干扰，避免了邻近电缆上HART信号的串扰以及共用非理想地、供电系统等引起的干扰2 连接方式两线制变送器的常规连接电路如图22所示.在实际应用中，供电单元、传送器和负载电阻可以按任意顺序连接，电路中的任意一点都可以接地手持终端或主设备通讯设备不能直接跨接在供电单元的两端，而是应该连接到通到现场的两线上(图中A、B点）,或者跨接在负载电阻两端（图中B、C点）（在这种情况下,电路通过供电单元连通）HART协议允许负载阻抗为230W～1100W如果不是现场设备，HART通讯单元必须不提供任何直流电阻到线上因此，它必须含有或者连接通过一个最小值为68uF的电容2 两线制变送器常规连接电路有些HART设备自己备有电源，供给4~20mA电流输出和HART通讯,连接线路如图2.3所示，与之通讯的设备可跨接在负载电阻两端（图中B、C点）。
图2.3 有源设备的连接电路另外可以按多点模式将变送器连接成网络形式HART协议中每一条通讯帧都含有源地址和目的地址，通过给每一个从设备设置不同的地址（1~15），可以把许多这样的从设备并行跨接在一条现场绞合线上，每一个从设备只应答与自己地址相符的通讯帧，这种连线方式下的环路称为多点模式由于多点运行采用的是全数字信号，4～20mA模拟信号已毫无意义,所以HART协议指定多点运行时的各变送器只输出4mA电流(足以供电)在点对点运行中，主变量的值可以通过模拟量或者数字通讯读取，而在多点模式中，由于模拟量已不再有效，所以只能依靠数字通讯读取主变量理论上应该可以把两线制电流回路和有源设备混合连接在一个多点线路中，但是由于它们不同的连接方式，现场需要有第三根线，如图2.4所示:图24 两线制电流回路和有源设备混合连接的多点线路2.13 供电电源及电缆变送器的典型工作电压是24V，一般最小工作电压是12V，有些特殊的智能变送器的最小工作电压可以达到7～8V电源供电电压不决定于HART协议的规定，而是由回路中的仪表确定.多数现有电缆都可以用于HART通讯，但最好采用带屏蔽的直径大于051mm的电缆（如24AWG）.限制信号传输距离的主要因素还是电缆的电阻、电感与分布电容对信号的衰减。
点对点时传输距离可达3000m,而多点运行时可达1500m. 22 HART协议的数据链路层本节描述了HART协议中字符和数据的编码、帧结构和数据传送程序这些规定都与OSI协议参考模型的第二层-—数据链路层的规定相一致.2.21 HART通讯方式HART协议为主从式结构，即指每一帧的传送都是由主设备（控制中心）开始,从设备（现场仪表）只是在接收到命令帧后才响应HART协议允许系统中有两个主设备通常，第一主设备为控制系统或其它主设备，第二主设备为手持通讯器或维护计算机等.两个主设备具有不同的地址,从而辨别各自发出的命令帧的响应帧一般总是由主设备来控制数据帧的传送如果，从设备在定义的时间段内没有响应命令帧,主设备将重发命令帧如果几次重发以后，从设备还是没有响应,主设备将取消这次命令的传送一旦一次传送完毕,主设备将暂停片刻，使其它主设备能够插入通讯两个主设备可轮流与从设备通讯典型的帧长和延迟允许每秒传送两次从设备的通讯模式一般有3种：单点模式、多点模式和突发模式.单点模式即回路中只有一台现场设备，该设备的地址为“0"，既可输出4～20mA的模拟信号，又可以进行数字通讯，是目前使用最广泛的通讯模式。
多点模式即在一个回路中连接多台现场设备,这些设备可以通过不同的地址加以区分，地址可以从“1”到“15"进行分配，因此一个回路理论上最多可以连接15个从设备在实际应用上，为了本安要求,一般最多连接5台左右（总电流控制在20mA以内).突发模式是为了提高从设备的数据传送速率，在一些特别重要的场合常采用这种模式当现场设备设置成突发模式时，它就定时重复发送数据帧，设备每传送一帧数据后,会有一段暂停允许主设备终止突发模式主设备可以通过一些特殊的命令来启动和终止这种模式通常，突发模式在点对点通讯时才有效运用突发模式,每秒可以传送三条以上的信息帧2 字符编码HART通讯时，是按字符接收和发送的.HART通讯帧就是由若干个字符组成，每个字符是一个8位的字节，字符编码如图2.5所示通过通用异步收发器（UART）在串行电缆上串行发送或接收每个字节都添加有一个起始位，一个奇偶校验位和停止位，因此实际上是11位.这就使通用异步收发器（UART）可以分辨每个字符的起始，并且检查因电气噪声或其它干扰而引起的位错HART使用奇校验一个8位字节是按下列1和0的序列发送的.HART规定:在发送一个通讯帧时，每两个字符之间的发送间隔GAP不能大于一个字符时间9。
167ms一个字符时间即为以1200bps发送一个字符所需的时间 0 00 01 02 03 04 05 06 07 P 1 Start 8 data bit parity Stop bit (least significant first） bit bit图25 一个8位字节的序列22.3 通讯帧格式HART协议规定一条信息的帧结构如图2.6所示：PREMDELMADDRCOMMBCNT[STATUS]［DATA]CHKPREM： Preamble序文 BCNT： Bycount 字节数DELM: Delimiter起始字符 STATUS: 变送器通讯状态ADDR: Address地址(源地址和目的地址) DATA: 通讯数据CMD: Command 命令号 CHK： Checksum 校验和图26 HART通讯的帧结构HART通讯中的帧又可分为长帧和短帧格式.较早的HART仪表（HART第四版）使用短帧格式。
在该格式里输出4～20mA电流信号的非多点运行的从设备的地址为0，多点运行的设备的地址为1～15.HART第五版介绍了长帧格式.在该格式里，从设备的地址是由制造厂家代码、设备型号代码和设备标志组成的世界通用的38位二进制数字长帧格式可以减少外界干扰或串音干扰造成的对其它设备的误接收长帧格式也扩展了HART协议的地址容量，使通讯可以在大型网络上进行，例如通过公共无线电网与远程现场设备通讯新现场设备使用长帧格式,而老现场设备使用短帧格式.主设备应当两种格式都能处理HART协议是半双工的在完成一次信息的传输以后,必须关闭FSK信号,使其它的设备能够通讯.帧中的每一项将在以下各段详细介绍l 序文（Preamble)由两个或两个以上的“FF"组成它主要用于MODEM接收时的频率同步l 起始字符（Delimiter)一个字节，在HART通讯中用来表示帧的类型,以及是长帧还是短帧，如表23所示.接收起始字符必须在接收到两个或两个以上的“FF"以后才开始.短帧长帧发送帧0282应答帧0686突发帧0181表2.3 起始字符的定义l 地址（Address）包括源地址和目的地址,短帧为一个字节,长帧为五个字节，如图2.7所示.两种格式的地址的开头两位都是一样的.第一位为主设备地址,第一主设备(控制系统的主机等）的地址为“1”，第二主设备（手操器等）的地址为“0”.第二位为突发模式位，当从机处于突发模式时,该位为“1”。
在短帧格式中，从设备的轮询地址为0～15，二进制表示为四位从设备在点对点模式中地址为0,而在多点模式中地址为1~15在长帧格式中，共38位（五个字节的后38位）表示从机的地址。