HART总线简介

1Hart总线协议简介随着自动化技术的不断发展，现场总线技术的逐渐成熟已成为21世纪自动化领域中的主导技术；随着仪表智能化和通信数字化技术的发展，现场总线已经发展成为集计算机网络、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统FCS（Field-busControlSystem），FCS系统改变了传统的信息交换方式、信号制式和系统结构，改变了传统的自动化功能、概念和结构、形式，也改变了系统的设计和调试方法。根据国际电工委员会IEC的标准和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输多分支结构的通信网络。现场总线控制系统FCS与传统控制系统相比，他使用了数字化的信号传输技术，采用了分散化的系统结构，使系统具有方便的互操作性、开放的互联网络、多种信号传输介质和拓扑结构等优点，但是其相应地应用要求也很高。FCS要求现场仪表，包括变送器和执行器，是传输全数字化信号的智能装置。基于420mA的模拟设备还广泛应用于工业控制各个领域的今天，要快速实现全数字化是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡，我们需要一种既支持新型智能仪表的数字信号又兼容传统的模拟信号的过渡期协议，1986年Rosemount公司提出的HART协议就是最具代表性和普遍性的一种。一、HART总线技术特点HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）协议是可寻址远程变送器数据通道协议的简称，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间双向通信的协议规程。他是在4～20mA的模拟信号上叠加FSK（FrequencyShiftKeying，频移键控）数字信号，可以兼容模拟和数字两种信号。1993年成立了HART通信基金会HCF（HARTCommunicationFoundation），随着越来越多公司的加盟，基于HART协议产品的增多，他的重要性得到了普遍的认同。按照现场总线的定义HART通信协议，并不完全符合现场总线技术要求。可以说它并不是真正意义上的现场总线技术，只是模拟系统和数字总线之间的一种过渡措施。但是HART协议毕竟向现场总线迈进了一步。符合HART协议的现场仪表，在不中断过程信号传输的情况下，在同一模拟回路上同时进行数字通信，使用户获得了诊断和维护的信息以及更多的过程数据。经过近20年的发展，HART协议技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。HART协议构成的现场总线系统HF与传统的DCS和真正意义的现场总线控制系统FCS的比较见表1。表1.几种控制系统特点比较控制系统DCSHFFCS信号类型模拟模拟+数字全数字信号数量一线一信号一线多信号一线多信号系统结构3层主从结构3层主从结构2层分散型互操作性差较好好投资风险小较小较大适用场合一般控制系统现场设备在线调试、管理或控制系统改进需高度分散、先进控制、工厂综合自动化2下面我们来具体介绍一下HART协议的技术规范。二、HART通信技术协议1．HART协议的分层HART现场总线使用国际标准化组织ISO规定的开放式系统互联OSI七层模型中的第1层、第2层和第7层，即物理层、数据链路层和应用层。（1）物理层：HART协议的物理层规定了信号的传输方法、传输介质，HART支持模拟信号和数字信号在同一线路上传输。HART协议的物理层使用了Bell202标准的频移键控（FSK）信号，即在4～20mA模拟信号上叠加了±0.5mA的数字信号，由于数字FSK信号相位连续，平均值为零，所以不影响4～20mA模拟传输，从而使模拟信号和数字通信同时进行，而不互相干扰。在HART协议物理层中规定，通信传输速率为1200波特，数字信号用两个频率表示：1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”，如图1所示。图1.HART协议通信的FSK信号图2为HART协议的数字和模拟信号叠加后同时传输的示意图。通信介质的选择视传输距离长短而定，采用双绞线传输时最大传输距离可达1500m，线路总阻抗应在230～1100Ω之间。图2.HART数字通信信号叠加在电流环上（2）数据链路层规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能。HART协议的数据链路层规定了通信帧格式、通信模式、用户接口原语等。比如规定了在HART3通信中，每个字符由11位组成，包括1位起始位、8位数据位、1位奇偶校验位、1位停止位。其数据结构长度不固定，最长25B，寻址范围0～15，当地址为0时，则处于4～20mA的DC与数字通信兼容状态；当地址为1～15时，则处于全数字通信状态。通信模式为问答式或突发式。HART通信基于主/从（Master/Slave）协议原理，只有在主站呼叫时，现场设备才传送信息。在一个HART总线上，可以同时存在两个主设备，第二主设备通常为手持器。在这种模式下，由于每次数据的传送都必须有主设备发起，所以数据更新速率比较低。当需要更高的数据更新速率时，可以是从设备工作在突发（Burst）模式。当从设备进入突发模式后，将不断的发送指定的HART响应信号，直到主站发送命令使其退出突发模式。当挂接多个从设备时，模拟信号作废，通信方式只能以数字信号传输。这时，从设备的轮巡地址设为非零，将使其工作在多点模式。在多点模式下，4-20mA模拟信号作废，流经从设备的回路电流固定在4mA。由于每个从设备都具有唯一的长设备地址，所以主设备可以对每一个从设备进行操作，此时通讯方式只能是主从模式。（3）应用层规定了强大的命令集。HART通讯基于命令，也就是主站发送命令，从站接受命令并作出相应的响应。HART命令可分为3类命令:第1类是通用命令，适用于遵守HART协议的所有产品，目的是使来自不同供应商的使用HART协议的设备之间具有互操作性，并在日常工厂操作中访问数据，即读取过程测量值，上线、下限范围，和其他一些信息，诸如生产厂家、型号、位号及描述等；第2类是普通命令，用来访问那些大多数但并非全部设备所具有的功能。这些命令可选，但如果实现，必须被特殊说明，这些命令用于常用的操作如写阻尼时间常数等；第3类是特殊命令，适用于遵守HART协议的特殊设备，他不要求设备间的统一，大多数用于设备参数组态、标校等。在每一个HART命令相应中包含设备状态信息，指出设备失效或其他问题，例如模拟输出饱和、变量超限或通讯错误等。一些HART协议兼容设备可以连续检查设备状态位，在发现问题时，发出警报或停车。HART协议是一个开放的协议，对于厂家生产的具有特殊功能的产品，HART提供了设备描述语言DDL（DeviceDescriptionLanguage）以确保互操作性。2．HART协议现代工业生产中存在着多种不同的主机和现场设备，要想很好地使用他们，完善的通讯协议是必须的。HART协议规定了传输的物理形式、消息结构、数据格式和一系列操作命令，是一种主从协议。当通讯模式为问答式的时候，一个现场设备只做出被要求的应答。HART协议允许系统中存在2个主机（比如说，一个用于系统控制，另一个用于HART通信的手操仪），如果不需要模拟信号，多点系统中的一对电缆线上最多可以连接15个从设备。下面我们将对每一部分逐一进行介绍:2.1物理形式物理形式，我们已经对HART分层中的物理层进行了介绍，HART就是利用BELL202标准的。FSK信号以1200b/s加载在4～20mA的模拟信号上。他具有0平均值，不会干扰模拟信号。2.2消息结构如图3所示，一条消息包括源地址、目的地址和一个校验位。每一个应答消息中包括现场设备状态，他用于确保持续通讯的顺畅进行。数据位可有可无，视具体情况而定。一般每秒种可以传输2～3条消息。4PREAMBLESTARTADDRCOMBCNT[STATUS][DATA]CHK图3.HART消息结构HART5.0以前版本的设备一般采用短结构，单一的现场设备如果只利用4～20mA电流信号进行测量时，从设备的地址都是0；否则，对于多设备而言，从设备的地址是从1～15，这种短结构的地址采用随选的方法，随机分配1～15中的一个。HART5.0版本推出了长结构，这种格式的从设备地址具有独一无二性，如同每个网卡中物理地址一样，全世界范围内都没有重复，一般占5个地址字节中的38位。这38位地址信息包含了生产厂家的代码、设备型号码和设备识别码。这种格式减少了误传输和误接收的可能性。现在大多数主机设备既能支持长结构又兼容短结构，当从机的应答信号中没有惟一标识码时，HART5.0及其以上的版本提供的0号命令，就可以用于短帧中的设备地址识别。也就是说，主机将根据应答信号中是否具有惟一标识码来决定结构格式为长还是短。我们从图2中可以简单地看出一般消息帧的组成，其中：（1）PREAMBLE导言字节，一般是5～20个FF（十六进制字节）。他实际上是同步信号，各通讯设备可以据此略做调整，保证信息的同步。在开始通讯的时候，使用的是20个FF导言，从机应答0信号时将告之主机他希望接收几个字节的导言，另外主机也可以用59号命令告诉从机应答时应用几位导言。（2）START起始字节，他将告之使用的结构为长还是短、消息源、是否是突发模式消息。主机到从机为短结构时，起始位为02，长结构时，起始位为82。从机到主机的短结构值为06，长结构值为86。而为突发模式的短结构值为01，长结构为81。一般设备进行通讯接收到2个FF字节后，就将侦听起始位。（3）ADDR地址字节，他包含了主机地址和从机地址，如前所述，短结构中占1字节，长结构中占5字节。无论长结构还是短结构，因为HART协议中允许2个主机存在，所以我们用首字节的最高位来进行区分，值为1表示第一主机地址，第二主机用0表示。突发模式是特例，0，1值将交替出现，也就是说，在该模式下，赋予2个主机的机会均等。次高位为1表示为突发模式，短结构用首字节的0～4位表示值为0～15的从机地址，第5，6位赋0；而长结构用后6位表示从机的生产厂商的代码，第2个字节表示从机设备型号代码，后3～5个字节表示从机的设备序列号，构成惟一标志码。如图4和图5所示。MABM00SAMA为主机地址，BM为突发模式，SA为从机地址图4.短帧地址结构MABMSA图5.长帧地址结构另外，长结构的低38位如果都是0的话表示的是广播地址，即消息发送给所有的设备。（4）COM命令字节，他的范围为253个，用HEX的0～FD表示。31，127，254，255为预留值。（5）BCNT数据总长度，他的值表示的是BCNT下一个字节到最后（不包括校验字节）的字节数。接收设备用他可以鉴别出校验字节，也可以知道消息的结束。因为规定数据最多为25字节，所以他的值是从0～27。（6）STATUS状态字节，他也叫做响应码顾名思义，他只存在于从机响应主机消息的时候，用2字节表示。他将报告通讯中的错误、接收命令的状态（如:设备忙、无法识别命令等）和从机的操作状态。如果我们在通讯过程中发现了错误，首字节的最高位（第57位）将置1，其余的7位将汇报出错误的细节，而第2个字节全为0。否则，当首字节的最高位为0时，表示通讯正常，其余的7位表示命令响应情况，第2个字节表示场设备状态的信息。UART发现的通讯错误一般有:奇偶校验、溢出和结构错误等。命令响应码可以有128个，表示错误和警告，他们可以是单一的意义，也可以有多种意义，我们通过特殊命令进行定义、规定。场设备状态信息用来表示故障和非正常操作模式。（7）DATA数据字节，首先我想说明的是并非所有的命令和响应都包含数据字节，他最多不超过25字节（随着通讯速度的提高，正在要求放宽这一标准）。数据的形式可以是无符号的整数（可以是8，16，24，32b），浮点数（用IEEE754单精浮点格式）或ASCII字符串，还有预先制定的单位数据列表。具体的数据个数根据不同的命令而定。（8）CHK奇偶校验，方式是纵向奇偶校验，从起始字节开始到奇偶校验前一个字节为止。另外，每一个字节都有1位的校验位，这两者的结合可以检测出3位的突发错误。通常情况下，在应答模式下1s可以2次通讯，在突发模式下，每秒钟可