昌暉儀表從介紹HART協(xié)議工作原理、協(xié)議物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、消息結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)知識入手，著重分享HART協(xié)議命令格式方面的專業(yè)知識。

HART協(xié)議最初是由美國Rosemount公司開發(fā)，使用FSK技術(shù)，在4-20mA信號上疊加一個頻率信號，成功實(shí)現(xiàn)了模擬信號和數(shù)字信號雙向通訊，而互相之間沒有干擾。HART協(xié)議使用OSI標(biāo)準(zhǔn)的第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。HART協(xié)議是一種主從協(xié)議，規(guī)定了傳輸?shù)奈锢硇问健?消息結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式包括一系列操作指令，HART協(xié)議支持雙主站，一對電纜線上最多可以連接15個從設(shè)備。



工作原理
HART協(xié)議物理層
1、物理層規(guī)定了信號的傳輸方法、傳輸介質(zhì)。采用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，加一個頻率數(shù)字信號進(jìn)行雙向數(shù)字通信。

2、數(shù)字信號的幅度為0.5mA，數(shù)據(jù)傳輸率為1200bps，1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”。數(shù)字信號波形如下圖所示：



HART數(shù)據(jù)鏈路層
1、數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定HART協(xié)議幀的格式，可尋址范圍0-15，“0”時，處于4-20mA及數(shù)字信號點(diǎn)對點(diǎn)模式，現(xiàn)場儀表與兩個數(shù)字通信主設(shè)備(也稱作通信設(shè)備或主設(shè)備)之間采用特定的串行通信，主設(shè)備包括PC機(jī)或控制室系統(tǒng)和手持通信器。單站操作中，主變量(過程變量)可以以模擬形式輸出，也可以以數(shù)字通信方式讀出，以數(shù)字方式讀出時，輪詢地址始終為0。也就是說，單站模式時數(shù)字信號和4～20mA模擬信號同時有效。

2、“1-15”處于全數(shù)字通信狀態(tài)，工作在點(diǎn)對多點(diǎn)模式，通信模式有“問答”式、“突發(fā)”式(點(diǎn)對點(diǎn)、自動連續(xù)地發(fā)送信息)。按問答方式工作時的數(shù)據(jù)更新速率為2-3次/s，按突發(fā)方式工作時的數(shù)據(jù)更新速率為3-4次/s。

3、在本質(zhì)安全要求下，只使用一個電源，至多能連接15臺現(xiàn)場儀表，每個現(xiàn)場設(shè)備可有256個變量，每個信息最大可包含4個變量。這就是所謂的多點(diǎn)(多站)操作模式。這種工作方式尤其適用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，如管道系統(tǒng)和油罐儲存場地。

4、采用多點(diǎn)模式，4-20mA的模擬輸出信號不再有效(輸出設(shè)在4mA使功耗最小，主要是為變送器供電，各個現(xiàn)場裝置并聯(lián)連接)，系統(tǒng)以數(shù)字通信方式依次讀取并聯(lián)到一對傳輸線上的多臺現(xiàn)場儀表的測量值(或其它數(shù)據(jù))。如果以這種方式構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以顯著地降低現(xiàn)場布線的費(fèi)用和減少主設(shè)備輸入接口電路，這對于控制系統(tǒng)有重要價值。

5、HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯碼信息，采用自動重復(fù)請求發(fā)送機(jī)制，消除由于線路噪聲或其他干擾引起的數(shù)據(jù)誤碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無差錯傳送。

6、HART協(xié)議的幀格式以8位為一個字節(jié)進(jìn)行編碼，對每個字節(jié)加上一個起始位、一個奇偶校驗(yàn)位和一個停止位以串行方式進(jìn)行傳輸。通常采用UART(通用異步接收/發(fā)送器)來完成字節(jié)的傳輸。由于數(shù)據(jù)的有無和長短不恒定，所以HART數(shù)據(jù)的長度不能超過25個字節(jié)。

HART數(shù)據(jù)鏈路層-消息結(jié)構(gòu)
如下所示，一條消息包括源地址、目的地址和一個校驗(yàn)位。每一個應(yīng)答消息中包括現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，用于確保持續(xù)通訊的順暢進(jìn)行。數(shù)據(jù)位可有可無，視具體情況而定。一般每秒種可以傳輸2-3條消息。



1、PREAMBLE
導(dǎo)言字節(jié)，一般是5-20個FF十六進(jìn)制字節(jié)。他實(shí)際上是同步信號，各通訊設(shè)備可以據(jù)此略做調(diào)整，保證信息的同步。在開始通訊的時候，使用的是20個FF導(dǎo)言，從機(jī)應(yīng)答0信號時將告之主機(jī)他“希望”接收幾個字節(jié)的導(dǎo)言，另外主機(jī)也可以用59號命令告訴從機(jī)應(yīng)答時應(yīng)用幾位導(dǎo)言。

2、START
起始字節(jié)，他將告之使用的結(jié)構(gòu)為“長”還是“短”、消息源、是否是“突發(fā)”模式消息。主機(jī)到從機(jī)為短結(jié)構(gòu)時，起始位為02，長幀時為82。從機(jī)到主機(jī)的短結(jié)構(gòu)值為06，長結(jié)構(gòu)值為86。而為“突發(fā)”模式的短結(jié)構(gòu)值為01，長結(jié)構(gòu)為81。一般設(shè)備進(jìn)行通訊接收到2個FF字節(jié)后，就將偵聽起始位。

3、ADDR
地址字節(jié)，他包含了主機(jī)地址和從機(jī)地址，如前所述，短結(jié)構(gòu)中占1字節(jié)，長結(jié)構(gòu)中占5字節(jié)。無論長結(jié)構(gòu)還是短結(jié)構(gòu)，因?yàn)镠ART協(xié)議中允許2個主機(jī)存在，所以我們用首字節(jié)的最高位來進(jìn)行區(qū)分，值為1表示第一主機(jī)地址，第二主機(jī)用0表示。“突發(fā)”模式是特例，0，1值將交替出現(xiàn)，也就是說，在該模式下，賦予2個主機(jī)的機(jī)會均等。次高位為1表示為“突發(fā)”模式，短結(jié)構(gòu)用首字節(jié)的0-4位表示值為0-15的從機(jī)地址，第5，6位賦0；而長結(jié)構(gòu)用后6位表示從機(jī)的生產(chǎn)廠商的代碼，第2個字節(jié)表示從機(jī)設(shè)備型號代碼，后3-5個字節(jié)表示從機(jī)的設(shè)備序列號，構(gòu)成“唯一”標(biāo)志碼。

4、COM
命令字節(jié)，他的范圍為253個，用HEX的0-FD表示。31，127，254，255為預(yù)留值。

5、BCNT
數(shù)據(jù)總長度，他的值表示的是BCNT下一個字節(jié)到最后(不包括校驗(yàn)字節(jié))的字節(jié)數(shù)。接收設(shè)備用他可以鑒別出校驗(yàn)字節(jié)，也可以知道消息的結(jié)束。因?yàn)橐?guī)定數(shù)據(jù)最多為25字節(jié)，所以他的值是從0-27。

6、STATUS
狀態(tài)字節(jié)，他也叫做“響應(yīng)碼”，顧名思義，他只存在于從機(jī)響應(yīng)主機(jī)消息的時候，用2字節(jié)表示。他將報告通訊中的錯誤、接收命令的狀態(tài)(如：設(shè)備忙、無法識別命令等)和從機(jī)的操作狀態(tài)。

如果我們在通訊過程中發(fā)現(xiàn)了錯誤，首字節(jié)的最高位(第7位)將置1，其余的7位將匯報出錯誤的細(xì)節(jié)，而第2個字節(jié)全為0。否則，當(dāng)首字節(jié)的最高位為0時，表示通訊正常，其余的7位表示命令響應(yīng)情況，第2個字節(jié)表示場設(shè)備狀態(tài)的信息。

UART發(fā)現(xiàn)的通訊錯誤一般有：奇偶校驗(yàn)、溢出和結(jié)構(gòu)錯誤等。命令響應(yīng)碼可以有128個，表示錯誤和警告，他們可以是單一的意義，也可以有多種意義，我們通過特殊命令進(jìn)行定義、規(guī)定。現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息用來表示故障和非正常操作模式。

7、DATA
數(shù)據(jù)字節(jié)，首先我想說明的是并非所有的命令和響應(yīng)都包含數(shù)據(jù)字節(jié)，他最多不超過25字節(jié)(隨著通訊速度的提高，正在要求放寬這一標(biāo)準(zhǔn))。數(shù)據(jù)的形式可以是無符號的整數(shù)(可以是8，16，24，32 b)，浮點(diǎn)數(shù)(用IEEE754單精浮點(diǎn)格式)或ASCII字符串，還有預(yù)先制定的單位數(shù)據(jù)列表。具體的數(shù)據(jù)個數(shù)根據(jù)不同的命令而定。

8、CHK
奇偶校驗(yàn)，方式是縱向奇偶校驗(yàn)，從起始字節(jié)開始到奇偶校驗(yàn)前一個字節(jié)為止。另外，每一個字節(jié)都有1位的校驗(yàn)位，這兩者的結(jié)合可以檢測出3位的突發(fā)錯誤。

HART應(yīng)用層
HART操作命令處于應(yīng)用層，包括通用命令、普通命令和特殊命令。
通用命令的范圍從0-30：
0，11：設(shè)備識別(廠商、設(shè)備類型、版本)
1，2，3：讀測量值
6：置隨選地址
12，13，17，18：讀、寫用戶輸入文本信息
14，15：讀設(shè)備信息(傳感器序列號，傳感限，報警操作，范圍，傳輸結(jié)構(gòu))
16，19：讀、寫最終裝配號

普通命令是從32到126，提供了大多數(shù)設(shè)備的功能命令。普通命令中的123和126號命令并非“公共”的，他們專用于生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)設(shè)備時輸入設(shè)備的特殊信息，一般用戶是不會改動的，像設(shè)備識別號之類。也可以用于直接讀、寫存儲器。

33，61，110：讀測量值
34-37，44，47：設(shè)置操作變量(范圍、時限、PV值、傳輸功能)
38：復(fù)位“結(jié)構(gòu)變化”標(biāo)志
39：EPROM控制
40-42：對話功能(固定電流模式、自測、復(fù)位)
43，45，46：模擬輸入、輸出整流
48：讀附設(shè)備的狀態(tài)
49：寫傳感器序列號
50-56：用傳輸變量
57，58：單元信息(標(biāo)志、描述、數(shù)據(jù))
59：寫所需導(dǎo)言號
60，62-70：使用復(fù)合模擬輸出
107-109：突發(fā)模式控制

常用重要HART協(xié)議命令介紹
0，11：用于識別現(xiàn)場設(shè)備。我們知道無論采用長結(jié)構(gòu)還是短結(jié)構(gòu)都可以標(biāo)識現(xiàn)場設(shè)備，應(yīng)答0號命令的信息中就包含了對不同設(shè)備的標(biāo)識；然后，主機(jī)建立不同的標(biāo)志，為隨后的長結(jié)構(gòu)命令做準(zhǔn)備。在HART4.0版本及以前，傳輸類型碼分為2字節(jié)：一個是生產(chǎn)廠商代碼，另一個是設(shè)備類型代碼。而兩個字節(jié)還可以節(jié)略。到了HART5.0版本就必須使用擴(kuò)充的代碼表示設(shè)備信息，還用ID號代替了最終流水線號。

一個主機(jī)通常以0號命令開始通訊，賦予隨選地址0，然后掃描1-15地址，看誰期待操作，顯然由于HART5.0版本后的設(shè)備，主機(jī)可以使用11號命令，再帶一個全0的廣播地址，外加命令中的標(biāo)志作為數(shù)據(jù)，等待著具有相同標(biāo)志的從機(jī)響應(yīng)，而應(yīng)答的11號命令等同于0號命令。

HART命令分析
例1：主機(jī)到從機(jī)



上面是主機(jī)到從機(jī)發(fā)送的一條消息。前5個字節(jié)值都為FF，顯然他是導(dǎo)言字節(jié)。接著的82起始字節(jié)，表示主機(jī)到從機(jī)發(fā)出的長結(jié)構(gòu)的消息。后5個字節(jié) “A6，06，BC，61，4E”是地址字節(jié)化為二進(jìn)制表示如下：



①可見首字節(jié)A6的最高位為1表示主機(jī)，次高位為0表示非突發(fā)模式，后面的38 b表示設(shè)備的惟一標(biāo)號；
②“100110”是生產(chǎn)廠家代碼，值為38，是Rosemount公司的代碼；
③后一字節(jié)06是設(shè)備型號代碼，06代表的型號是3051C；
④后面的3個字節(jié)是設(shè)備識別號，本例中的值為12345678；
⑤再接下來的01是命令字節(jié)，表示1號命令，即讀取PV值后面的00是表示數(shù)據(jù)的長度；
⑥本例中無數(shù)據(jù)，值為0；
⑦最后是校驗(yàn)字節(jié)B0。

例2：從機(jī)到主機(jī)



①上面表示的是從機(jī)到主機(jī)的一條消息。本例大部分與例1相似，不同的是數(shù)據(jù)字節(jié)不再為0，其中的06表示單位PSI；
②后面的4個字節(jié)是用浮點(diǎn)數(shù)表示的值，為5.5。
③并且由于本例是由從機(jī)到主機(jī)的應(yīng)答消息，所以存在著狀態(tài)位，即本例中的“00 00”，表示“OK”。

例3：突發(fā)模式



上面是突發(fā)模式發(fā)出的一條消息。
①第1個字節(jié)81表示突發(fā)的長結(jié)構(gòu)模式，與前例中相似的地方我們不再介紹。
②注意到狀態(tài)字節(jié)“00 60”后的字節(jié)“41 3FA000”，他表示的是當(dāng)前的電流值，計算后是11.9766；
③后面的27表示單位mA，像后面的39表示“%”一樣。
④數(shù)據(jù)字節(jié)中的“42 47 60 00”，“BF 06 60 00”，“41 95 0000”分別表示“SV”，“TV”，“FV”表示方法與PV相同。
⑤經(jīng)過解釋后的消息可以表示為：“LBTXS/RdAllPv/026/0060/11.9766/mA/11.9766/%/49.8438/psi/－0.524902/%/18.625/D4”。

標(biāo)準(zhǔn)的HART協(xié)議命令格式
讀設(shè)備序號命令格式說明如下：



由于要確保待發(fā)的命令完整的發(fā)送，我們特意在標(biāo)準(zhǔn)命令格式序文前加了一個起始位“23”和在校驗(yàn)位后加了一個結(jié)束符“40”。
例如：發(fā)送讀取設(shè)備序號命令 23 FF FF FF FF FF 02 80 00 00 82 40
命令注解如下表所示：



返回的命令格式如下表所示：



返回的數(shù)據(jù)為：FF FF FF FF FF 06 80 00 0E 00 40 FE 50 7F 06 05 01 01 08 00 6B 73 3A 30
返回數(shù)據(jù)命令注解如下表所示：



返回數(shù)據(jù)6B 73 3A就是這臺設(shè)備的序號。
起始位和結(jié)束符只在發(fā)送命令時做確定命令的完整發(fā)送，它不改變命令本身，更不會影響數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

發(fā)送讀取液位計動態(tài)變量命令
命令格式說明如下表所示：



返回的數(shù)據(jù)為：FF FF FF FF FF 86 90 7F 6B 73 3A 03 15 00 40 40 D4 E0 00 2D 3E 09 1C 2D 2D 3E 92 E3 9E 20 41 D4 B2 B8 01
返回數(shù)據(jù)命令注解如下表所示：



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