2022年HART协议F技术.docx

精品学习资源其次章 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外表和把握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 2.1 所示；本章仅对 HART 协议作简要介绍，详见参考文献 [1] ， [2] ，[3] ，[4] ；第七层OSI 层次应用层HART 层次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其次层网络层数据链路层HART 协议规章第一层 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样的；§2.1.1 FSK 频移键控HART 协议接受了 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 的波形代表规律“ 1”，两个 2200Hz 的波形代表规律“ 0”，如图 2.1 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，模拟外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，在把握系统进展后将会显示出它的局限性；欢迎下载精品学习资源图 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（主把握器或手执通讯器）传送电压信号，而从设备传送电流信号；一般二线制变送器是通过把握环路电流来正常运行的，很简洁把这种把握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；因此全部设备应接受电压敏捷的接收器电路； 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（要求必需正确接收） 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答应由电缆或其它元器件引起的适度的信号衰减；接收器阈值的规定削减了外来信号的干扰，防止了邻近电缆上 HART 信号的串扰以及共用非理想地、供电系统等引起的干扰；§2.1.2 连接方式两线制变送器的常规连接电路如图 2.2 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次序连接，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，而是应当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）（在这种情形下，电路通过供电单元连通）；HART 协议答应负载阻抗为 230 ～1100 ；假如不是现场设备， HART 通讯单元必需不供应任何直流电阻到线上；因此，它必需含有或者连接通过一个最小值为 6.8uF 的电容；图 2.2 两线制变送器常规连接电路欢迎下载精品学习资源有些 HART 设备自己备有电源，供应 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；由于多点运行接受的是全数字信号， 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；理论上应当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 2.4 两线制电流回路和有源设备混合连接的多点线路§2.1.3 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 ；电源供电电压不准备于 HART 协议的规定，而是由回路中的外表确定；多数现有电缆都可以用于 HART 通讯，但最好接受带屏蔽的直径大于 0.51mm 的电缆（如 24AWG ）；限制信号传输距离的主要因素仍是电缆的电阻、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；欢迎下载精品学习资源§2.2 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 协议参考模型的其次层 —— 数据链路层的规定相一样；§2.2.1 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（把握中心）开头，从设备（现场外表）只是在接收到命令帧后才响应； HART 协议答应系统中有两个主设备；通常，第一主设备为把握系统或其它主设备，其次主设备为手持通讯器或爱护运算机等；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把握数据帧的传送；假如，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；假如几次重发以后，从设备仍是没有响应，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；两个主设备可轮番与从设备通讯；典型的帧长和推迟答应每秒传送两次；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”进行支配，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（总电流把握在 20mA 以内）；突发模式是为了提高从设备的数据传送速率，在一些特殊重要的场合常接受这种模式；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，会有一段暂停答应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；§2.2.2 字符编码HART 通讯时，是按字符接收和发送的； HART 通讯帧就是由如干个字符组成，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 ）可以辨论每个字符的起始，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 位字节是按以下 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；00001020304050607P1欢迎下载精品学习资源Start 8 data bit parity Stop bit 〔least significant first〕 bit bit图 2.5 一个 8 位字节的序列§2.2.3 通讯帧格式HART 协议规定一条信息的帧结构如图 2.6 所示：PREM DELM ADDR COMM BCNT [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 2.6 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 外表（ 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；长帧格式可以削减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，必需关闭 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；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；起始字符 〔Delimiter〕 一个字节，在 HART 通讯中用来表示帧的类型，以及是长帧仍是短帧，如表 2.3 所示；接收起始字符必需在接收到两个或两个以上的“ FF”以后才开头；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，第一主设备欢迎下载精品学习资源（把握系统的主机等）的地址为“ 1”，其次主设备（手操器等）的地址为“ 0”；其次位为突发模式位，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。