hart通讯协议

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协议最初是由美国Rosemount公司开发，已应用了多年。HART协议使用FSK技术，在4~20mA信号过程量上叠加一个频率信号，成功地把vwin 信号和数字信号双向同时通讯，而不互相干扰。HART协议参照了国际标准化组织的开放性互连模型，使用OSI标准的物理层、数据链路层、应用层。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。
物理层
物理层规定了信号的传输方法、传输介质。采用Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4～20mA模拟信号上叠加一个频率数字信号进行双向数字通信。数字信号的幅度为0 . 5 m A ，数据传输率为1200bps，1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”。数字信号波形如左图所示。

数据链路层
数据链路层规定HART协议帧的格式，可寻址范围0～15，“0”时，处于4～20mA及数字信号点对点模式，现场仪表与两个数字通信主设备（也称作通信设备或主设备）之间采用特定的串行通信，主设备包括PC机或控制室系统和手持通信器。单站操作中，主变量（过程变量）可以以模拟形式输出，也可以以数字通信方式读出，以数字方式读出时，轮询地址始终为0。也就是说，单站模式时数字信号和4～20mA模拟信号同时有效。
“1～15”处于全数字通信状态，工作在点对多点模式，通信模式有“问答”式、“突发”式(点对点、自动连续地发送信息)。按问答方式工作时的数据更新速率为2～3次／s，按突发方式工作时的数据更新速率为3～4次／s。
在本质安全要求下，只使用一个电源，至多能连接15台现场仪表，每个现场设备可有256个变量，每个信息最大可包含4个变量。这就是所谓的多点（多站）操作模式。这种工作方式尤其适用于远程监控，如管道系统和油罐储存场地。
采用多点模式，4～20mA的模拟输出信号不再有效（输出设在4mA使功耗最小，主要是为变送器供电，各个现场装置并联连接 ），系统以数字通信方式依次读取并联到一对传输线上的多台现场仪表的测量值（或其它数据）。如果以这种方式构成控制系统，可以显著地降低现场布线的费用和减少主设备输入接口电路，这对于控制系统有重要价值。
HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪声或其他干扰引起的数据误码，实现数据无差错传送。
能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求。HART协议信息帧的格式如下图所示。
HART协议的帧格式以8位为一个字节进行编码，对每个字节加上一个起始位、一个奇偶校验位和一个停止位以串行方式进行传输。通常采用UART（通用异步接收/发送器）来完成字节的传输。由于数据的有无和长短不恒定，所以HART数据的长度不能超过25个字节。
　消息结构
　　如下所示，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，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。
PREAMBLE STARTADDR COM BCNT STATUS DATA PARITY
序文 定界符 地址 命令号 数据长度 响应码 数据字节 奇偶校验
（导言字节） （起始字节） （地址字节） （命令字节） （字节数） （状态字节） （通信数据）
　　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4～20 mA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“唯一”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”。 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，长帧时为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“唯一”标志码。