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技術(shù)文章
HART(Highway Addressable Remote Transducer),，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議,，是美國ROSEMOUNT公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議,。 HART裝置提供具有相對低的帶寬,，適度響應(yīng)時(shí)間的通信,，經(jīng)過10多年的發(fā)展,，HART技術(shù)在國外已經(jīng)十分成熟,，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),。
1,、HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號，在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通訊,，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2kbps,。由于FSK信號的平均值為0，不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號的大小,，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性,。在HART協(xié)議通信中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送，在需要的情況下,，另外的測量,、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài),、校準(zhǔn),、診斷信息通過HART協(xié)議訪問。
HART通信采用的是半雙工的通信方式,，其特點(diǎn)是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信,，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場競爭能力,，得到了較快發(fā)展,。HART 規(guī)定了一系列命令，按命令方式工作,。它有三類命令,，第一類稱為通用命令，這是所有設(shè)備都理解,、都執(zhí)行的命令,；第二類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設(shè)備（盡管不是全部）中實(shí)現(xiàn),，這類命令包括最常用的的現(xiàn)場設(shè)備的功能庫,；第三類稱為特殊設(shè)備命令，以便于工作在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能,，這類命令既可以在基金會中開放使用,，又可以為開發(fā)此命令的公司所獨(dú)有。在一個(gè)現(xiàn)場設(shè)備中通?？砂l(fā)現(xiàn)同時(shí)存在這三類命令,。
HART采用統(tǒng)一的設(shè)備描述語言DDL。現(xiàn)場設(shè)備開發(fā)商采用這種標(biāo)準(zhǔn)語言來描述設(shè)備特性，由HART基金會負(fù)責(zé)登記管理這些設(shè)備描述并把它們編為設(shè)備描述字典,，主設(shè)備運(yùn)用DDL技術(shù)來理解這些設(shè)備的特性參數(shù)而不必為這些設(shè)備開發(fā)專用接口,。但由于這種模擬數(shù)字混合信號制，導(dǎo)致難以開發(fā)出一種能滿足各公司要求的通信接口芯片,。HART能利用總線供電,，可滿足本質(zhì)安全防爆要求，并可組成由手持編程器與管理系統(tǒng)主機(jī)作為主設(shè)備的雙主設(shè)備系統(tǒng),。
2,、基金會現(xiàn)場總線，即FoudationFieldbus,簡稱FF,。它以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ),，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層,、應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次,，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。
基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率,。H1的傳輸速率為 3125Kbps,通信距離可達(dá) 1900m (可加中繼器延長),，可支持總線供電，支持本質(zhì)安全防爆環(huán)境,。H2的傳輸速率為 1Mbps和2.5Mbps兩種,，其通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可支持比絞線,、光纜和無線發(fā)射,，協(xié)議符合IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼,，每位發(fā)送數(shù)據(jù)的中心位置或是正跳變,，或是負(fù)跳變。正跳變代表0,，負(fù)跳變代表1，從而使串行數(shù)據(jù)位流中具有足夠的定位信息,，以保持發(fā)送雙方的時(shí)間同步,。接收方既可根據(jù)跳變的極性來判斷數(shù)據(jù)的“1”、“0”狀態(tài),，也可根據(jù)數(shù)據(jù)的中心位置精確定位,。
HART協(xié)議于80年代后期開發(fā)，并于90年代初移交到HART基金會,。從那時(shí)起,，它已經(jīng)更新了好幾次。每一次的協(xié)議更新都確保更新向后兼容以前的版本。HART協(xié)議當(dāng)前的版本是7.3版,?！?”表示主修訂號碼，而“3”表示次修訂號碼,。
HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)了開放系統(tǒng)互連（OSI）7層協(xié)議模型的第1,、2、3,、4和7層：
以貝爾202標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),，采用頻移鍵控（FSK），以1200bps的速率通信,。代表0和1位值的信號頻率分別為2200和1200Hz,。該低電平信號疊加在4到20mA的模擬測量信號之上，而不會對模擬信號造成任何干擾,。
定義了一項(xiàng)主從協(xié)議 - 在正常使用下,，現(xiàn)場設(shè)備只在收到信號時(shí)才作回答?？梢杂袃蓚€(gè)主設(shè)備,，例如，控制系統(tǒng)作為第一主設(shè)備,，而手持HART通信器作為第二主設(shè)備,。時(shí)序規(guī)則定義每個(gè)主設(shè)備可以開始通信事務(wù)的時(shí)間。單個(gè)多點(diǎn)線纜對可以連接多達(dá)15個(gè)或更多的從設(shè)備,。
提供路由,、端到端安全及傳輸服務(wù)。它管理與通信設(shè)備之間端到端通信的“會話”,。
數(shù)據(jù)鏈路層確保通信成功地從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備傳播,。傳輸層可以被用來確保端到端通信的成功。
定義了協(xié)議所支持的命令,、響應(yīng),、數(shù)據(jù)類型和狀態(tài)報(bào)告。在應(yīng)用層,，協(xié)議的公共命令分為四大類：
通用命令 - 提供在所有現(xiàn)場設(shè)備都必須實(shí)現(xiàn)的功能
常用命令 - 提供很多設(shè)備所共有的功能,，但并不是所有的現(xiàn)場設(shè)備都具有的功能
設(shè)備特定命令 - 提供某特定現(xiàn)場設(shè)備所特有的功能，由設(shè)備制造商所指定
設(shè)備系列命令 - 為特定測量類型的儀器提供一套標(biāo)準(zhǔn)化的功能,，允許無需使用設(shè)備特定指令便能進(jìn)行完全的通用性訪問,。
“HART”是高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器的縮寫。HART協(xié)議利用貝爾202頻移鍵控（FSK）標(biāo)準(zhǔn),，將低電平的數(shù)字通信信號疊加在4 - 20mA之上,。
圖1. 頻移鍵控（FSK）
這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了雙向現(xiàn)場通信，并使得同智能現(xiàn)場儀表傳輸比一般過程變量更多的信息成為可能。HART協(xié)議以1200 bps的速率通信,，而不影響4 - 20mA信號,，并允許一個(gè)主機(jī)應(yīng)用程序（主設(shè)備），從智能現(xiàn)場設(shè)備每秒獲取兩次或兩次以上的數(shù)字更新,。由于數(shù)字FSK信號是相位連續(xù)的,，因而不會對4 - 20mA信號造成干擾。
HART技術(shù)是個(gè)主/從協(xié)議,，這意味著,，只有當(dāng)主設(shè)備發(fā)出信號時(shí)，智能現(xiàn)場（從）設(shè)備才會發(fā)送信號,。HART協(xié)議可在多種模式下使用,，如點(diǎn)到點(diǎn)或者多點(diǎn)模式，在智能現(xiàn)場儀表和中央控制或監(jiān)測系統(tǒng)之間傳輸信息,。
HART通信發(fā)生在兩個(gè)具有HART功能的設(shè)備之間,，通常是智能現(xiàn)場設(shè)備和控制或監(jiān)測系統(tǒng)之間。通信使用標(biāo)準(zhǔn)的儀器級電纜,，并且使用標(biāo)準(zhǔn)的接線和終端處理方式,。
HART協(xié)議提供兩個(gè)同步通信通道：4 - 20mA模擬信號和一個(gè)數(shù)字信號。4 - 20mA信號利用4 - 20mA的電流回路 – 它是最快和最可靠的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn),，來傳輸主要的測量值（在現(xiàn)場儀表的情況下）,。另外，HART利用疊加在模擬信號之上的數(shù)字信號,，來傳輸其它的設(shè)備信息,。
數(shù)字信號中包含了來自設(shè)備的信息，包括設(shè)備狀態(tài),、診斷,、額外的測量或計(jì)算值等。這兩個(gè)通信通道結(jié)合起來,，提供了一種易于使用和配置的低成本,、高度可靠的、完整的現(xiàn)場通信解決方案,。
圖2. 兩個(gè)通信通道
HART協(xié)議最多可有兩個(gè)主設(shè)備（第一主設(shè)備和第二主設(shè)備）。這使得可以利用第二主設(shè)備,，例如手持通信器，而不會對第一主設(shè)備,，如控制/監(jiān)測系統(tǒng)的通信造成干擾,。
圖3. 第一和第二主方
HART協(xié)議允許與現(xiàn)場設(shè)備之間的所有數(shù)字通信，可采用點(diǎn)到點(diǎn)或多點(diǎn)模式的網(wǎng)絡(luò)配置：
圖4. 點(diǎn)到點(diǎn)的配置
多點(diǎn)模式的配置
還有一個(gè)可選的“猝發(fā)”通信模式，其中單個(gè)從設(shè)備可連續(xù)廣播標(biāo)準(zhǔn)的HART回復(fù)信息,。這一可選的“猝發(fā)”通信模式有可能采用更高的更新速率,，并且使用通常只限于點(diǎn)到點(diǎn)的配置。
圖5. 多點(diǎn)配置
在模擬信號環(huán)境中工作的自動化工程師經(jīng)常會說,，“要是我不去現(xiàn)場,，就能獲得設(shè)備信息的話…”或者“要是我能將那個(gè)壓力變送器的這項(xiàng)配置信息存入我的電腦的話…”。有了HART,，他們就不再需要說出“要是”這樣的話了,。世界各地已經(jīng)認(rèn)識到HART通信優(yōu)勢的用戶知道，當(dāng)使用具有HART功能的手持式測試,、校準(zhǔn)設(shè)備和便攜式電腦時(shí),，他們在現(xiàn)場就能便捷地獲取設(shè)備的信息。事實(shí)上,，設(shè)備的測試,、診斷和配置從未變得如此的簡單！
然而,，許多人尚未認(rèn)識到HART技術(shù)的最大優(yōu)勢,，這些優(yōu)勢來自與實(shí)時(shí)的資產(chǎn)管理和/或控制系統(tǒng)的全天候連接。
HART技術(shù)可以幫助您：
利用整套智能設(shè)備數(shù)據(jù)的能力,，來提升運(yùn)營能力,。對設(shè)備、產(chǎn)品或工藝性能出現(xiàn)變化進(jìn)行早期預(yù)警,。
縮短發(fā)現(xiàn)到解決問題的故障排除時(shí)間,。
不斷驗(yàn)證回路和控制/自動化系統(tǒng)策略的完整性。
提高資產(chǎn)效率和系統(tǒng)可用性,。
提高工廠的可用性
將設(shè)備和系統(tǒng)集成起來,，以檢測先前檢測不到的問題。
實(shí)時(shí)檢測設(shè)備和/或過程的連接問題,。
通過獲取新的早期預(yù)警,，以減少偏差造成的影響。
避免非計(jì)劃停機(jī)或過程中斷所引起的高成本,。
降低維護(hù)成本
快速確定和驗(yàn)證控制回路和設(shè)備配置,。
使用遠(yuǎn)程診斷，以減少不必要的現(xiàn)場檢查,。
捕獲性能趨勢數(shù)據(jù),，以進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)診斷。
減少備件庫存和設(shè)備管理成本,。
HART命令0：讀標(biāo)識碼
返回?cái)U(kuò)展的設(shè)備類型代碼,，版本和設(shè)備標(biāo)識碼,。
請求：無
響應(yīng)：
字節(jié)0： 254
字節(jié)1： 制造商ID
字節(jié)2： 制造商設(shè)備類型
字節(jié)3： 請求的前導(dǎo)符數(shù)
字節(jié)4： 通用命令文檔版本號
字節(jié)5： 變送器規(guī)范版本號
字節(jié)6： 設(shè)備軟件版本號
字節(jié)7： 設(shè)備硬件版本號
字節(jié)8： 設(shè)備標(biāo)志
字節(jié)9-11： 設(shè)備ID號
HART命令1：讀主變量（PV）
以浮點(diǎn)類型返回主變量的值。
請求：無
響應(yīng)：
字節(jié)0： 主變量單位代碼
字節(jié)1-4： 主變量
HART命令2：讀主變量電流值和百分比
讀主變量電流和百分比,，主變量電流總是匹配設(shè)備的AO輸出電流,。百分比沒有限制在0-100%之間，如果超過了主變量的范圍,，會跟蹤到傳感器的上下限,。
請求：無
響應(yīng)：
字節(jié)0-3： 主變量電流，單位毫安
字節(jié)4-7： 主變量量程百分比
HART命令3：讀動態(tài)變量和主變量電流
讀主變量電流和4個(gè)（最多）預(yù)先定義的動態(tài)變量,，主變量電流總是匹配設(shè)備的AO輸出電流,。每種設(shè)備類型都定義的第二、第三和第四變量,，如第二變量是傳感器溫度等,。
請求：無
響應(yīng)：
字節(jié)0-3： 主變量電流，單位毫安
字節(jié)4： 主變量單位代碼
字節(jié)5-8： 主變量
字節(jié)9： 第二變量單位代碼
字節(jié)10-13：第二變量
字節(jié)14： 第三變量單位代碼
字節(jié)15-18：第三變量
字節(jié)19： 第四變量單位代碼
字節(jié)20-23：第四變量
HART命令4：保留
HART命令5：保留
HART命令6：寫POLLING地址
這是數(shù)據(jù)鏈路層管理命令,。這個(gè)命令寫Polling地址到設(shè)備,，該地址用于控制主變量AO輸出和提供設(shè)備標(biāo)識。
只有當(dāng)設(shè)備的Polling地址被設(shè)成0時(shí),，設(shè)備的主變量AO才能輸出,，如果地址是1~15則AO處于不活動狀態(tài)也不響應(yīng)應(yīng)用過程，此時(shí)AO被設(shè)成最??；并設(shè)置傳輸狀態(tài)第三位——主變量模擬輸出固定；上限/下限報(bào)警無效,。如果Polling地址被改回0,，則主變量AO重新處于活動狀態(tài)，也能夠響應(yīng)應(yīng)用過程,。
請求：
字節(jié)0： 設(shè)備的Polling地址
響應(yīng)：
字節(jié)0： 設(shè)備的Polling地址
HART命令7：
HART命令8：
HART命令9：
HART命令10：
HART命令11：用設(shè)備的Tag讀設(shè)備的標(biāo)識
這是一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層管理命令,。這個(gè)命令返回符合該Tag的設(shè)備的擴(kuò)展類型代碼、版本和設(shè)備標(biāo)識碼,。當(dāng)收到設(shè)備的擴(kuò)展地址或廣播地址時(shí)執(zhí)行該命令,。響應(yīng)消息中的擴(kuò)展地址和請求的相同。
請求：
字節(jié)0-5： 設(shè)備的Tag,，ASCII碼
響應(yīng)：
字節(jié)0： 254
字節(jié)1： 制造商ID代碼
字節(jié)2： 制造商設(shè)備類型代碼
字節(jié)3： 請求的前導(dǎo)符數(shù)
字節(jié)4： 通用命令文檔版本號
字節(jié)5： 變送器版本號
字節(jié)6： 本設(shè)備的軟件版本號
字節(jié)7： 本設(shè)備的硬件版本號
字節(jié)8： 設(shè)備的Flags
字節(jié)9-11： 設(shè)備的標(biāo)識號
HART命令12：讀消息（Message）
讀設(shè)備含有的消息,。
請求：無
響應(yīng)：
字節(jié)0-23： 設(shè)備消息，ASCII
HART命名13：讀標(biāo)簽Tag,，描述符Description和日期Date
讀設(shè)備的Tag,，Description and Date。
請求：無
響應(yīng)：
字節(jié)0-5： 標(biāo)簽Tag，ASCII
字節(jié)6-17： 描述符,，ASCII
字節(jié)18-20：日期，分別是日,、月,、年-1900
HART命令14：讀主變量傳感器信息
讀主變量傳感器序列號、傳感器極限/最小精度（Span）單位代碼,、主變量傳感器上限,、主變量傳感器下限和傳感器最小精度。傳感器極限/最小精度（Span）單位和主變量的單位相同,。
請求：無
響應(yīng)：
字節(jié)0-2： 主變量傳感器序列號
字節(jié)3： 主變量傳感器上下限和最小精度單位代碼
字節(jié)4-7： 主變量傳感器上限
字節(jié)8-11： 主變量傳感器下限
字節(jié)12-15：主變量最小精度
HART命令15：讀主變量輸出信息
讀主變量報(bào)警選擇代碼,、主變量傳遞（Transfer）功能代碼、主變量量程單位代碼,、主變量上限值,、主變量下限值、主變量阻尼值,、寫保護(hù)代碼和主發(fā)行商代碼,。
請求：無
響應(yīng)：
字節(jié)0： 主變量報(bào)警選擇代碼
字節(jié)1： 主變量傳遞Transfer功能代碼
字節(jié)2： 主變量上下量程值單位代碼
字節(jié)3-6： 主變量上限值
字節(jié)7-10： 主變量下限值
字節(jié)11-14：主變量阻尼值，單位秒
字節(jié)15： 寫保護(hù)代碼
字節(jié)16： 商標(biāo)發(fā)行商代碼Private Label Distributor Code
HART命令16：讀最終裝配號
讀設(shè)備的最終裝配號,。
請求：無
響應(yīng)：
字節(jié)0-2： 最終裝配號
HART命令17：寫消息
寫消息到設(shè)備,。
請求：
字節(jié)0-23： 設(shè)備消息，ASCII
響應(yīng)：
字節(jié)0-23： 設(shè)備消息,，ASCII
HART命令18：寫標(biāo)簽,、描述符和日期
寫標(biāo)簽、描述符和日期到設(shè)備,。
請求：
字節(jié)0-5： 標(biāo)簽Tag,，ASCII
字節(jié)6-17： 描述符Descriptor，ASCII
字節(jié)18-20：日期
響應(yīng)：
字節(jié)0-5： 標(biāo)簽Tag,，ASCII
字節(jié)6-17： 描述符Descriptor,，ASCII
字節(jié)18-20：日期
HART命令19：寫最后裝配號
寫最后裝配號到設(shè)備。
請求：
字節(jié)0-2： 最終裝配號
響應(yīng)：
字節(jié)0-2： 最終裝配號
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