HART协议

可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议

HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国ROSEMOUNT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的通信协议。 HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过30多年的发展，HART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。

简介

HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2kbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。

HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。HART 规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。

HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

HART规范

HART协议于80年代后期开发，并于90年代初移交到HART基金会。从那时起，它已经更新了好几次。每一次的协议更新都确保更新向后兼容以前的版本。HART协议当前的版本是7.3版。“7”表示主修订号码，而“3”表示次修订号码。

HART协议实现了开放系统互连（OSI）7层协议模型的第1、2、3、4和7层：

协议物理层

以贝尔202标准为基础，采用频移键控（FSK），以1200bps的速率通信。代表0和1位值的信号频率分别为2200和1200Hz。该低电平信号叠加在4到20mA的模拟测量信号之上，而不会对模拟信号造成任何干扰。

数据链路层

定义了一项主从协议 - 在正常使用下，现场设备只在收到信号时才作回答。可以有两个主设备，例如，控制系统作为第一主设备，而手持HART通信器作为第二主设备。时序规则定义每个主设备可以开始通信事务的时间。单个多点线缆对可以连接多达15个或更多的从设备。

网络层

提供路由、端到端安全及传输服务。它管理与通信设备之间端到端通信的“会话”。

传输层

数据链路层确保通信成功地从一个设备到另一个设备传播。传输层可以被用来确保端到端通信的成功。

应用层

定义了协议所支持的命令、响应、数据类型和状态报告。在应用层，协议的公共命令分为四大类：

通用命令

HART命令0：读标识码

返回扩展的设备类型代码，版本和设备标识码。

请求：无

响应：

字节0： 254

字节1：制造商ID

字节2：制造商设备类型

字节3：请求的前导符数

字节4：通用命令文档版本号

字节5：变送器规范版本号

字节6：设备软件版本号

字节7：设备硬件版本号

字节8：设备标志

字节9-11：设备ID号

HART命令1：读主变量（PV）

以浮点类型返回主变量的值。

请求：无

响应：

字节0：主变量单位代码

字节1-4：主变量

HART命令2：读主变量电流值和百分比

读主变量电流和百分比，主变量电流总是匹配设备的AO输出电流。百分比没有限制在0-100%之间，如果超过了主变量的范围，会跟踪到传感器的上下限。

请求：无

响应：

字节0-3：主变量电流，单位毫安

字节4-7：主变量量程百分比

HART命令3：读动态变量和主变量电流

读主变量电流和4个（最多）预先定义的动态变量，主变量电流总是匹配设备的AO输出电流。每种设备类型都定义的第二、第三和第四变量，如第二变量是传感器温度等。

请求：无

响应：

字节0-3：主变量电流，单位毫安

字节4：主变量单位代码

字节5-8：主变量

字节9：第二变量单位代码

字节10-13：第二变量

字节14：第三变量单位代码

字节15-18：第三变量

字节19：第四变量单位代码

字节20-23：第四变量

HART命令4：保留

HART命令5：保留

HART命令6：写POLLING地址

这是数据链路层管理命令。这个命令写Polling地址到设备，该地址用于控制主变量AO输出和提供设备标识。

只有当设备的Polling地址被设成0时，设备的主变量AO才能输出，如果地址是1~15则AO处于不活动状态也不响应应用过程，此时AO被设成最小；并设置传输状态第三位——主变量模拟输出固定；上限/下限报警无效。如果Polling地址被改回0，则主变量AO重新处于活动状态，也能够响应应用过程。

请求：

字节0：设备的Polling地址

响应：

字节0：设备的Polling地址

HART命令7：

HART命令8：

HART命令9：

HART命令10：

HART命令11：用设备的Tag读设备的标识

这是一个数据链路层管理命令。这个命令返回符合该Tag的设备的扩展类型代码、版本和设备标识码。当收到设备的扩展地址或广播地址时执行该命令。响应消息中的扩展地址和请求的相同。

请求：

字节0-5：设备的Tag，ASCII码

响应：

字节0： 254

字节1：制造商ID代码

字节2：制造商设备类型代码

字节3：请求的前导符数

字节4：通用命令文档版本号

字节5：变送器版本号

字节6：本设备的软件版本号

字节7：本设备的硬件版本号

字节8：设备的Flags

字节9-11：设备的标识号

HART命令12：读消息（Message）

读设备含有的消息。

请求：无

响应：

字节0-23：设备消息，ASCII

HART命名13：读标签Tag，描述符Description和日期Date

读设备的Tag，Description and Date。

请求：无

响应：

字节0-5：标签Tag，ASCII

字节6-17：描述符，ASCII

字节18-20：日期，分别是日、月、年-1900

HART命令14：读主变量传感器信息

读主变量传感器序列号、传感器极限/最小精度（Span）单位代码、主变量传感器上限、主变量传感器下限和传感器最小精度。传感器极限/最小精度（Span）单位和主变量的单位相同。

请求：无

响应：

字节0-2：主变量传感器序列号

字节3：主变量传感器上下限和最小精度单位代码

字节4-7：主变量传感器上限

字节8-11：主变量传感器下限

字节12-15：主变量最小精度

HART命令15：读主变量输出信息

读主变量报警选择代码、主变量传递（Transfer）功能代码、主变量量程单位代码、主变量上限值、主变量下限值、主变量阻尼值、写保护代码和主发行商代码。

请求：无

响应：

字节0：主变量报警选择代码

字节1：主变量传递Transfer功能代码

字节2：主变量上下量程值单位代码

字节3-6：主变量上限值

字节7-10：主变量下限值

字节11-14：主变量阻尼值，单位秒

字节15：写保护代码

字节16：商标发行商代码Private Label Distributor Code

HART命令16：读最终装配号

读设备的最终装配号。

请求：无

响应：

字节0-2：最终装配号

HART命令17：写消息

写消息到设备。

请求：

字节0-23：设备消息，ASCII

响应：

字节0-23：设备消息，ASCII

HART命令18：写标签、描述符和日期

写标签、描述符和日期到设备。

请求：

字节0-5：标签Tag，ASCII

字节6-17：描述符Descriptor，ASCII

字节18-20：日期

响应：

字节0-5：标签Tag，ASCII

字节6-17：描述符Descriptor，ASCII

字节18-20：日期

HART命令19：写最后装配号

写最后装配号到设备。

请求：

字节0-2：最终装配号

响应：

字节0-2：最终装配号

工作方式

“HART”是高速可寻址远程传感器的缩写。HART协议利用贝尔202频移键控（FSK）标准，将低电平的数字通信信号叠加在4 - 20mA之上。

图1. 频移键控（FSK）

这项技术实现了双向现场通信，并使得同智能现场仪表传输比一般过程变量更多的信息成为可能。HART协议以1200 bps的速率通信，而不影响4 - 20mA信号，并允许一个主机应用程序（主设备），从智能现场设备每秒获取两次或两次以上的数字更新。由于数字FSK信号是相位连续的，因而不会对4 - 20mA信号造成干扰。

HART技术是个主/从协议，这意味着，只有当主设备发出信号时，智能现场（从）设备才会发送信号。HART协议可在多种模式下使用，如点到点或者多点模式，在智能现场仪表和中央控制或监测系统之间传输信息。

HART通信发生在两个具有HART功能的设备之间，通常是智能现场设备和控制或监测系统之间。通信使用标准的仪器级电缆，并且使用标准的接线和终端处理方式。

HART协议提供两个同步通信通道：4 - 20mA模拟信号和一个数字信号。4 - 20mA信号利用4 - 20mA的电流回路 – 它是最快和最可靠的业界标准，来传输主要的测量值（在现场仪表的情况下）。另外，HART利用叠加在模拟信号之上的数字信号，来传输其它的设备信息。

数字信号中包含了来自设备的信息，包括设备状态、诊断、额外的测量或计算值等。这两个通信通道结合起来，提供了一种易于使用和配置的低成本、高度可靠的、完整的现场通信解决方案。

图2. 两个通信通道

HART协议最多可有两个主设备（第一主设备和第二主设备）。这使得可以利用第二主设备，例如手持通信器，而不会对第一主设备，如控制/监测系统的通信造成干扰。

图3. 第一和第二主方

HART协议允许与现场设备之间的所有数字通信，可采用点到点或多点模式的网络配置：

图4. 点到点的配置

多点模式的配置

还有一个可选的“猝发”通信模式，其中单个从设备可连续广播标准的HART回复信息。这一可选的“猝发”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点到点的配置。

图5. 多点配置

通信优势

在模拟信号环境中工作的自动化工程师经常会说，“要是我不去现场，就能获得设备信息的话…”或者“要是我能将那个压力变送器的这项配置信息存入我的电脑的话…”。有了HART，他们就不再需要说出“要是”这样的话了。世界各地已经认识到HART通信优势，当使用具有HART功能的手持式测试、校准设备和便携式电脑时，他们在现场就能便捷地获取设备的信息。事实上，设备的测试、诊断和配置从未变得如此的简单！

然而，许多人尚未认识到HART技术的最大优势，这些优势来自与实时的资产管理和/或控制系统的全天候连接。

HART技术可以帮助您：

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