HART协议概要第一章Smart仪表和HART协议本章介绍了使用HART协议的现场仪表、变送器及其数字通讯的主要概念。

SmartSmart意指智能，Smart仪表用来描述带微处理器的仪表—即智能仪表。

Smart仪表比一般常规仪表具备更丰富的功能。

例如，Smart变送器由于运用数字计算来进行温度补偿和非线性补偿，因此可以提供更高的精度。

Smart变送器适用于多种类型的传感元件，还能将两种或更多种的测量合并成一种新的测量（如：对体积流量和温度的测量合并成对质量流量的测量。

）。

此外，Smart变送器还能实现量程迁移和自动标定的功能，并且提供系统内部自诊断，从而简化仪表的维护程序。

Smart变送器将多种仪表功能合为一体，大大减轻了主控设备的工作负担，同时也便于设备的生产和管理。

通讯器为了充分利用Smart设备提供的功能，通常需要一个手持通讯器来设定和控制这类仪表。

（如果由现场仪表就地提供这些操作，一般费用较高，而且也是不明智的。

但对一些比较复杂的盘装仪表，如流量计，除了具备远程功能以外，提供就地操作功能也是必要的。

数字通讯正确设置串行通讯，仪表和通讯器可以在较长的距离内通讯。

中央控制室和现场设备之间也适用这种通讯。

HART协议的现场仪表允许数字信号和模拟信号同时出现在信号线上，但不允许数字信号干扰模拟量的输出。

Smart仪表提供了数字通讯的功能，同时也保留了现有系统所要求的模拟量输入的兼容性和可靠性。

数字通讯除了用来设定和控制现场仪表，也实现了在通讯线路上读取被测变量值。

通过数字通讯读取被测变量值用数字通讯读取被测变量值，使单个仪表操作多种测量成为可能。

例如，由个流量计可以读取质量流量、过程温度和累积质量流量值。

也可以通过每次测量监视现场设备的状态，从而增强对自动控制的信任感和安全感。

此外，由于不需要4～20mA输出信号的模数、数模转换，精度也提高了。

但是，通讯要占用时间，会使信号检测变得滞后。

这会给某些快速回路的控制带来不利影响。

如果出现这种情况，可以采用模拟量来进行控制。

现场总线的高速通讯可以彻底解决这个问题。

数字通讯允许在现场设备中保存附加信息，需要时可以读出来。

变送器可以存储一些与过程相关的信息，如标牌编号、测量类型，以及仪表标定范围和单位等等，也可以存储设备自己的相关信息，就相当于一个电子标签。

此外，变送器可以存储有关维护的操作信息，如最后一次标定时间等。

图1-1．数字通讯多点通讯如果被测变量的值都能以数字信号读取，4～20mA的模拟信号就不再需要了。

因此可以在一对通讯线上连接多个现场设备，分别读取各变送器的数值。

为了实现这一点，每个从设备都必须有一个响应地址，而主设备所发的每一个请求信息都必须包括这个地址。

多点通讯可以大大减少现场布线和主机接口设备的费用，尤其是在监控系统中。

但是，多点通讯的周期性轮询意味着每个测量值只在一个时间片断里被读取。

轮询一次的周期时间对高速控制回路可能就太长了。

在多点通讯中，变送器的模拟量输出设定在4mA，给各个设备供电。

现场设备都以并行连接。

图1-2．多点通讯为使数字通讯在各个不同的现场设备之间顺利进行，就必须有一个通讯标准。

这个标准应当包括信号传送的物理方式、执行程序、信息构成、数据格式和完成功能的命令集等一系列的规定。

HART协议由Rousemount公司提出。

HART协议采用Bell202标准的FSK频移键控信号，是叠加在4～20mA模拟量信号上的低电平信号，传送速率为1200baud。

由于所叠加的信号平均值为0，FSK信号不会干扰模拟量信号。

图1-3．频率信号幅值的平均值为0，所以数字通讯不会干扰电流信号每条信息都应包括源地址和目的地址，并有校验码检查信息是否正确。

}图1-4．HART数据通讯帧格式HART协议是主从式协议，即现场设备只有在被询问时才可以答复。

系统允许有2个主设备（如一个控制系统和一个268型通讯器），最多15个从设备连接到一条多点通讯线上（非本安型应用）。

HART命令集HART命令定义为三类。

1.通用命令第一类命令为通用命令，对所有符合HART协议的现场设备都适用。

它们包括：读出制造厂及产品型号读出原始变量及单位读出电流的输出及百分比输出读出最多4个预先定义的动态变量名读出或写入8个字符的标牌号，16个字符的描述内容以及日期读出或写入32个字符信息读出变送器的量程、单位以及阻尼时间常数读出传感器串联数目及其限制读出或写入最后组装数目写入轮询地址2．普通应用命令第二类命令为普通应用命令，适用于大多数现场设备，但不是全部。

读出最多4个动态变量的选择写入阻尼时间常数写入变送器量程标定（设置零点和量程）完成自检完成主机复位微调原始变量零点写入原始变量单位微调DAC的零点和增益写入变送功能（开方/线性）写入传感器串联数目读出或写入动态变量赋值3．专用命令第三类命令为变送器专用命令，仅适用于某种具体的现场设备。

读出或写入小流量截断值启动、停止或清除累积器选择原始变量（质量流量或密度）读出或写入组态信息资料微调传感器的标定输出设备输出设备，如：阀位控制器、变速电机以及泵等，都可以应用HART协议。

现场总线Rousemount公司和其他国际标准委员会成员正在一起定义一种能被广泛接受的高速现场通讯标准，通常被称作现场总线。

这中新的通讯标准将在通讯速度和数据维护上有很大的改善。

从气动仪表（3～15psi）经模拟电子（4～20mA）、模拟/数字并存的通讯（HART），一直到全数字通讯（现场总线），现在的仪表正是这个发展趋势中的一个阶段。

数字通讯必将在仪表和控制系统中进一步推广应用，最后形成集成管理信息系统。

第二章物理层规定本章描述了HART协议的物理信号模式和传输介质，这些都与OSI协议参考模型的物理层的规定相一致。

FSK频移键控HART协议采用FSK频移键控技术将数字信号叠加在4～20mA电流上，从而完成中央控制系统与现场变送器的通讯。

两个不同的频率—1200Hz和2200Hz分别表示二进制数0和1。

正弦信号以较低的电平叠加在直流信号上，由于正弦信号平均值为0，所以不会影响4-20mA的输出电流。

因此，模拟仪表可以照常工作。

事实上，一个低通滤波器就能有效地去除数字叠加信号。

（一个单极点10HZ的低通滤波器就可滤去通讯信号，使输出量的波动控制在0．01%左右。

）二进制数据传送的速率为1200波特。

这就意味着1由1200Hz的一个周期表示，而0大约由2200Hz的两个周期表示。

信号频率和传送速率的选择依据美国Bell202标准，该标准用于在电话网上传送数字信息。

因此，合适的低价位的MODEM集成芯片可广泛应用。

美国的公共电话网支持这种信号的传输，但是欧洲公共电话网并不支持这种标准。

（如果在欧洲公共网络上要进行这种传输，BACK-TO-BACK MODEM可以把Bell202转换到RS-232-C，从而转换到CCITT标准V．23。

）HART协议规定主设备（主控制器或手执通讯器）传送电压信号，而从设备传送电流信号。

（普通二线制变送器是通过控制环路电流来正常运行的，很容易把这种控制扩展到含有低幅高频的HART通讯信号的元件的系统。

）电流信号通过环路负载电阻转化为相应的电压信号，因此所有设备应采用电压敏感的接收器电路。

接收器灵敏度的规定允许由于电缆或其它元器件的影响而引起的适度的信号衰减。

接收器阈值的规定减少了外来信号的干扰，阻止了邻近电缆上HART信号的串扰以及共享非理想地或供电系统而引起的干扰。

连接回路两线制变送器的常规连接电路如图2-1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顺序连接，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，而是应该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）（在这种情况下，电路通过供电单元连通）。

HART 协议允许负载阻抗为230Ω～1100Ω。

如果不是现场设备，HART通讯单元必须不提供任何直流电阻到线上。

因此，它必须含有或者连接通过一个最小值为6．8uF的电容。

图2-1．两线制变送器常规连接电路有源设备有些HART设备自己备有电源，供给4～20mA电流输出和HART通讯，取代了上述两线制连接回路。

连接线路如图2-2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2-2．有源设备的连接电路多点运行HART协议中每一条信息都含有目的地址。

通过给每一个从设备设置不同的地址，可以把许多这样的从设备并行跨接在一条现场绞合线上，每一个从设备只答复与自己地址相符的信息，这样，多点通讯就可以进行了。

此时输出所有4～20mA模拟信号毫无意义，所以可指定非零地址的变送器输出4mA电流（足以供电），可以减少整个供电需求。

在点对点运行中，原始变量的值可以通过模拟量或者数字通讯读取。

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原始变量。

理论上应该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，如图所示：图2-3．两线制电流回路和有源设备混合连接的多点线路电流流向如箭头所示，上方的所有变送器为两线制供电，下方的所有变送器分为有源设备。

由于三芯绞合电缆使用麻烦，这种混合系统的建立常通过两条独立的双绞线连接到负载电阻处。

通讯设备仍然象两线制一样可跨接在A、B或B、C。

设备特性为使设计HART系统无需知道系统中每个设备的细节，每个设备的阻抗范围就需要有一定的规定。

注释：对主设备阻抗限制的活性元件（电感或电容）也分别有限制。

注释：5，000pF并联电容的限定是建议值，并非绝对限定。

该值较大的设备以电容数（CN）来计量。

电容数等于设备电容值除以5，000pF。

（1151型的SMART变送器电容值为22，000pF，因而CN为5。

）其它设备是指回路中的被动仪表，如就地电流指示器。

信号的衰减与失真—65us的限制当信号通过含有电阻和电容的网络时，总会有衰减和延迟或者出现相位偏移。

信号衰减和延迟的大小取决于信号的频率和网络截止频率的相对大小。

为了确保负载电阻上HART 信号的可靠接收，从现场设备传输过来的信号的衰减不应超过3dB。

这就使得最小传输信号（0．8mA），最小允许负载电阻（230Ω），最大不灵敏接收值（120mV）有一定的裕度。

此外，信号中的两个频率的相对延迟不能超过50us，否则调频波形会失真，数据回复电路也不能准确分离两种频率。

为了保证以上条件满足，HART协议规定最小截止频率（3dB衰减）稍大于最大HART 信号频率，限定为电路中电阻、电容的RC时间常数为65us。

（即电路中电阻、电容值带符号相乘，注意：欧姆×发拉=秒，如：250Ω×0．1uF=25us。