硕士论文-HART通信协议在智能变送器中应用的研究

1、河北工业大学硕士学位论文HART通信协议在智能变送器中应用的研究姓名：徐忠锦申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：张思祥20061201RESEARCH OF HART COMMUNICATION PROTOCOL USED TO SMART TRANSDUCER ABSTRACT Nowadays,fieldbus technique became very important in the world of process control,through which digital communication is used to fields instruments,thi

2、s leads to a revolution to control systems.However,420mA analog signal instruments alse have a large application in industry,the HART communication protocola transitional protocol during transition from analog system to digital systememerges as the times require.Based on Bell202 communication standa

3、rds,HART protocol transfer data with different frequency signals and plus with analog signals of 420mA.It is characteristic that realizes digital communication in the transmission of analog signals,it has strong competition in this interim period and grows quickly because of this technology belongs

4、to research of link between the preceding and the following. Firstly, in this paper, HART protocol is illustrated, it adopt a predigested mode of OSI/ISO in which have seven functional layers, only three layers have been used in HART protocol.Physical Layer specifies the transmittal manner of signal

5、 and voltage of signal, Data Link Layer specifies the device type and format of data transmit, Command Layer specifies all kinds of HART command and reoponse codes. Secondly, being based upon HART protocol,the method of smart transducer design is introduced, meanwhile make a feasibility analyse for

6、HART retrofit of traditional transducer.through master the knowledge of HART protocol,this paper researches the system of smart transducer that it combines MCU with sensor.It importantly researches the hardware and software of smart transducer,the detailed hardware are introduced,including the singl

7、e-chip microcomputer module,the sensor module,the communication module and A/D、D/A module.Then,the structures of software are analyzed and designed,the completion of Data Link Layer and Command Layer is emphasized,which II including the realization of measuring and controlling program、communication

8、program.Furthermore, data fusion is proposed to mitigate the crosstalks between different measured parameters. Finally, make the experiments and debugging through pressure smart transducer, at the same time, the problem and experiences I met in developing hardware and software of smart transducer sy

9、stem are summarized in the last of this paper. KEY WORDS: fieldbus, HART protocol, smart transducer, PIC single-chip, data fusion III原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签

10、名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 1-1

11、引言 现场总线（Fieldbus）是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系1。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统2。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点35，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开发。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂

12、设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点：具有一定的时间确定性和较高的实时性要求，还具有网络负载稳定，多数为短帧传送、信息交换频繁等特点6。由于上述特点，现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有不同上层高速数据通信网的特色。 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS(Fieldbus Control Systems)现场总线控制系统。人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS(Pneumatic Control Systems)称作第一代，把420mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式

13、分布控制系统DCS(Distributed Control Systems)称作第四代78。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专用网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征9。 现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段后，尽管已有一定范围的磋商合并，但至今尚未形成完整统一的国际标准10。其中有较强实力和影响的有：FF（Foundation Fieldbus）

14、、LONworks（Local Operation Network）、PROFIBUS（Process Field Bus）、HART（Highway Addressable Remote Transducer 可寻址远程传感器高速公路）、CAN（Control Area Network）等。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。该技术是目前国际上过程控制领域中的一个热点话题，通过现场总线，数字通信技术可以延伸到现场级仪表，给控制系统体系带来了一场革命1112。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它是计算机技术、通信技术和控制技术高度综

15、合与集成的产物，是现场总线控制系统FCS的核心13。它不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统FCS代替传统的离散控制系统DCS，实现现场通讯网络与控制系统的集成。用现场总线将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护费用。 根据国际电工委员会IEC（International Electrotechnical Commission）和美国仪表协会（ISA）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支 1HART通信协议在智能变送器中应用的研究 结构的通信网络14。它的关键标志是能支持双

16、向、多节点、总线式的全数字通信。进入八十年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们对传统的模拟仪表和控制系统要求变革的呼声越来越高，这就更促进了现场总线技术的发展，而使现场总线成为一次世界性的技术变革。但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性，而对于数据链路层及其以上各高层协议规范，则没有统一定义，致使不同生产厂家生产的仪器仪表由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的信息互访。为解决这个问题，必须使这些网络的通信标准进行统一，组成开放互连系统，于是就产生了现场总线网络。从图1.1中可以看出现场总线网络系统。 图1.1 现场总线网络系统 Fig 1.1 Fieldbus Systems

17、On Internet 鉴于目前现场总线发展迅速，世界各大公司已开发出40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影响力的有5种，分别是FF、WorldFIP、HART、CAN和LONworks。表1.1是典型现场总线产品和特性对照表。 表1.1 典型现场总线产品及特性对照表15 Table 1.1 Comparison between typical fieldbus and feature CAN LONworks WorldFIP HART FF 应用对象 离散控制 所有方面 过程、控制一次仪表

18、 所有方面 OSI层次 1，2，7 1，7 1，2，7 1，2，7 1，2，7 系统类型 总线 网络 总线 总线 总线 2 河北工业大学硕士学位论文 3介质访问 CSMA/CA CSMA/CA 主从、令牌主从、令牌 主从、令牌错误校正 CRC CRC CRC CRC CRC 通信介质 双绞线、光纤 同轴电缆、电源线、光纤、无线电、红外线 双绞线、光纤双绞线 双绞线、光纤、红外线寻址方式 单点、多点、广播 广播 广播 单点、多点、广播 单点、多点、广播 传输速率 5kb/s1Mb/s 300b/s1.5Mb/s 2.5Mb/s 3Update/s 31.25kb/s2.5Mb/s 传输距离 10

19、km 2.7km 3km 500m1.9km网络供电 不是 是 是 是 不是 优先级 支持 支持 支持 支持 支持 系统控制 命令 命令、状态命令、状态命令、状态 命令、状态1-2 国内外研究现状 1-2-1 国外研究现状 从80年代开始，随着微电子学的发展，导致含有微处理器的智能变送器、控制器和集散系统（DCS）的普遍应用，这些智能化的现场设备可以直接完成许多控制功能，这也正是智能化仪表的显著特点之一16。因此，现场设备与基于微处理器的控制室自动化设备间待传输的信息量急剧增加。原有的420mA模拟直流回路，只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数。所以，420mA这种信号标准已成为当前控制系统发

20、展的主要瓶颈。为此，在现场设备和控制系统之间，迫切需要一种全数字化的、双向、多变量的通信规程，来代替正在流行着的420mA单变量、单向模拟传输方式。 鉴于这种情况，国际电工技术委员会（IEC）从1985年即开始着手制订国际性的智能化现场设备和控制室自动化设备之间的通信标准，并命名为“Fieldbus”现场总线17。从计算机网络体系结构角度来看，按国际标准化组织ISO（International Organization for Standardization）的推荐，最低一级的网络就是现场总线。它可以把全厂范围内的现场装置（如仪表等）连接起来，与控制系统实现全数字化通信。因此许多国际组织，例如

21、国际电工委员会（IEC），美国仪表学会（ISA），ISP（Interoperable System Project），IFC，World FIP，FINT（Fieldbus International）等，多年来为制订现场总线标准做了大量工作。 HART通信协议在智能变送器中应用的研究 4 ISA的SP50委员会已进行了长达8年多的研究讨论，于1984年与IEC的TC65技术委员会的WG-6工作组共同提出了粗略的现场总线框架模型。该模型是国际标准化组织ISO开放系统互连OSI（Open System Interconnection）模型的简化型。OSI模型原本有互相独立的7层：物理层、数据链路

22、层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层，规定了每一层的功能及其对于上一层的服务。ISA和IEC提出的现场总线模型采用了其中的第1、2、7层，又增加了一个用户层，作为第8层。所以，该模型的4个功能层分别是：物理层、数据链路层、应用层和用户层18。 ISP成立于1992年9月，包括有100多家公司，其中著名公司有：Fisher-Rosemount、日立、横河、E+H、SMAR、西门子、Modicon等，并于1994年推出了基于ISP技术的产品。ISP技术主要基于德国的PROFIBUS标准。其目标是开发一个单一的开放的并可相互操作的标准现场总线。该总线易于为用户和生产者所接受。 World FI

23、P（Factory Instrumentation Protocol） 工厂仪表世界协议集团。它是基于法国工业标准FIP草案而建立的起来，于1993年3月成立。成员包括Honeywell、AllenBrndly、Elsay Bailey等120多个公司。其目标同样是为建立一种开放性的、相互兼容的现场总线。 LONworks现场总线。该总线对用于控制网络的所有7层都规定了服务内容，并提供了一整套开发技术，使得包括硅片，通讯收发机及PC接口软件等所有制造商处于平等地位。 鉴于目前现场总线的国际标准在短期内还难于统一，而正在大量使用着的420mA模拟现场设备也不可能在短时间内改造为适合于现场总线的现

24、场设备，所以，在1986年，美国的Rosemount公司提出了一项过渡性标准HART通信协议。这是一个灵巧的通讯协议19。它具有与现场总线类似的体系结构及总线式数字通讯功能。由于HART协议是在420mA模拟信号上叠加了频移键控FSK（Frequency Shift Keying）数字信号，因而，模拟和数字通讯可以同时进行。这就保证了420mA模拟系统与数字通讯系统可以兼容，可以在一根双绞线上连接多台现场设备，以构成多站网络。它具有现场总线的基本特点：支持双向、多变量、总线式的全数字通信，它包括ISO/OSI的物理层、数据链路层和应用层，但是，HART标准的数据传输速率较低（1200bps），

25、而且只有“问答”和“广播”两种工作模式。目前，已有70余家公司支持并使用了HART协议，并于1993年成立了专门机构HCF（HART Communication Foundation）来发展HART协议。HART协议目前已被认为是事实上的工业标准，但是，它仅仅是一个过渡性协议，还不是现场总线20。 1-2-2 国内研究现状 每种现场总线将形成其特定的应用领域，未来能占有市场的总线将集中在少数有竞争力的总线上。现场总线的国际标准虽然已经制定出来了，但是市场上仍然活跃着十几种不同的总线上，其中有些总线并未被收录到国际标准当中。每一种总线都有其自身技术特点适合的领域。在本领域内，各种总线都极力扩大自

26、己的市场份额和影响力，因此市场上的总线之争将越来越激烈。 我国现场总线标准是由IEC/TC65在国内的技术单位全国工业过程测量和控制标准化技术委员会（上海工业自动化仪表研究所）负责跟踪并制订的。目前，已完成了现场总线的物理层国家标准的制订工作。其它层的标准正在跟踪和制订过程中。HART协议是从模拟仪表向现场总线系统转变过程中出现的过渡技术，在一定时期内具有一定的生命力。目前，HART协议产品在国外已经非常成熟，并广泛应用在自动化控制领域中。由于HART通信协议是具河北工业大学硕士学位论文 5有强大的通信技术，可充分挖掘数字现场设备的潜力。在保留传统的420mA电流信号的基础上，扩展了系统与现场

27、设备之间进行双向数字通信的能力，且对智能设备通信提供了最好的解决方案。在应用的今天，HART协议提供了对现有安装设备向后兼容的独一无二的解决方案。这种向后兼容性使得现有模拟仪表在无需要改进的情况下可逐步实现数字化，从而大大降低成本，提高竞争力。 在智能变送器的通信协议中，目前国内外广泛使用的是HART通信协议，因为该协议具有模拟和数字通信能力，可以满足当前模拟仪表普遍存在及现有设备向后兼容的要求，据称95年美国Rosemount公司的智能化产品已占80%。我们国内也在开发自己的总线，由浙江大学牵头，并列为国家星火发展项目，据业内人士分析HART产品在国际上的使用寿命为15-20年左右，而我国由

28、于客观条件所限，这类产品基本上被国外的厂家垄断，所以在国内这个时间会更长一些，在今后很长一段时间内，HART产品仍具有十分广泛的市场，广大用户迫切需要有我们自己的符合世界潮流的产品21。 1-3 HART通信协议的主要特点 （1）采用开放式混合通信协议，即允许模拟信号和数字信号同时存在，HART优点表现为可以在局部进行系统升级，并且只涉及到需用HART智能仪表装置的系统部分。因为通信线路不变动，只需把HART接口加到现存控制装置的现场智能仪表上。由于只有少量的硬件替换，改造工作投入较少，有助于不熟悉数字通信的控制人员了解其好处，掌握系统中增加部分的有关技术，而不必关心系统的其它部分。 （2）H

29、ART协议技术并不适合所有对象。与其他现场总线相比，HART的数字通信略慢。它倾向于过程控制，80%的过程控制工作可以用HART实现。 （3）可和其他模拟设备混合使用，具有传统模拟仪表或全数字能力。加入HART通信协议的现场仪表设备中，为现存的420mA控制系统提供了一种使用调试（调整量程、变更工程量等）和诊断工具的能力。 （4）支持多个数字通信主机。 （5）允许多站网络结构，同时在模拟量控制系统中作为一个多站系统也具有联网能力。 （6）提供“应答”和“广播”两种通信模式，对于所有的HART设备使用同一个通用的信息结构。 1-4 本课题主要研究内容 本课题的主要研究内容是通过对各种现场总线国内

30、外发展现状和应用前景的对比，并考虑现阶段自动化控制领域的客观要求，研制一种能将HART通信协议应用在智能变送器中的系统。主要围绕智能变送器系统硬件和软件的设计和实现两个方面进行。需要完成以下工作： 1.硬件方面的主要工作： （1）通过比较，确定系统总体方案及各个模块之间的连接和核心芯片的选取； （2）对硬件系统进行可行性分析和实现，包括系统电源供电、功耗和抗干扰等问题的解决； （3）实现HART通信接口卡并对整个硬件电路安装调试。 HART通信协议在智能变送器中应用的研究 6 2.软件方面的主要工作： （1）设计整个软件体系结构，编写测控程序、通信程序和监控程序； （2）编写HART通信协议、

31、输入/输出通道和数据融合处理等关键程序，并就通信和数据处理等相关实际问题进行分析； （3） 通过编写上位机PC和下位机（智能变送器）的通信程序进行调试，上位机用Visual C+编程，下位机用PIC单片机汇编程序编写； （4）对硬件和软件综合调试和分析。 河北工业大学硕士学位论文 7第二章 HART通信协议工作原理介绍 2-1 HART通信协议概述 HART现场通信协议是工业界广泛认可的标准，它采用Bell202FSK标准，在420mA过程测量模拟信号叠加一个幅度为0.5mA的正弦调制波，它成功地使模拟信号与数字双向通信能够同时进行，互不干扰，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而

32、，在当前的过渡时期具有较强的市场竞争力，得到了较快的发展22。HART协议提供相对较低的带宽和中等响应时间的通信，其典型应用包括远程过程变量查询、参数设定和对话。 多年以来，过程自动化设备使用的现场通信标准多为420mA模拟电流信号。HART协议扩展了420mA标准，在智能测量和控制仪表的基础上提高了通信能力。HART协议智能仪表在不干扰420mA模拟信号的同时允许双向数字通信。420mA模拟和HART数字通信信号能在一条线对上同时传递。主要变量和控制信号信息由420mA传送，另外的测量、过程参数、设备组态、校准以及诊断信息在同一线对、同一时刻通过HART协议访问。HART兼容现有的系统。 2

33、-2 HART通信协议模型 为了满足工业过程对HART协议的日益需求，在1993年成立了HART通讯基金会。它参照ISO/OSI的简化三层模型结构，即物理层、数据链路层和应用层（第1、2、7层），如表2.1所示。 表2.1 HART的分层结构 Table 2.1 Different layers of HART 分层 OSI层次 HART层次 7 6 5 4 3 2 1 应用层 表示层 会晤层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 HART命令 未使用 未使用 未使用 未使用 协议规范 Bell 202 2-2-1 物理层规范 物理层规定了信号的传输方法、信号电平、设备阻抗和传输介质。HART信

34、号传输是采用基于Bell 202通信标准的FSK技术，即在420mA模拟信号上叠加FSK数字信号，数字信号的传送波特率设定为1200bps，数字信号的逻辑“1”和“0”分别用1200Hz和2200Hz的正弦波表示，这些频率的正弦波叠加在模拟信号上一起传送2324。信号的幅值是0.5mA，如图2.1所示。 HART通信协议在智能变送器中应用的研究 图2.1 HART协议的Bell 202信号 Fig. 2.1 Bell 202 signal of HART protocol HART协议通常采用屏蔽双绞线或同轴电缆作为传输介质，单台设备距离3000m，而多台设备互连距离1500m。由于在一个信号

35、周期中，通信信号的平均值为0，从而不会对420mA的模拟信号产生影响，保证了与现有模拟系统的兼容性。图2.2所示为HART协议的数字和模拟信号叠加后同时传输的示意图。这是HART协议最重要的特点之一。 it20mA4mA模拟信号数字信号 图2.2 HART协议通信信号示意图25 Fig. 2.2 Signal schematic diagram of HART protocol 2-2-2 数据链路层规范 HART协议数据链路层规范主要概括了由协议编址的设备之间的通信要求。协议力图提供一个可靠的、面向交互的通信路径，现场总线从设备可以经由该路径接收或发送数字数据26。协议采用自动重复请求发送机

36、制可以对通信中由于线路噪音或其它干扰引起的数据通讯出错进行纠正。 2-2-2-1 设备类型 HART协议把所有的设备分为3类：从设备、突发模式设备和主设备。 （1）从设备是最普遍与最基本的设备类型，它接收与提供带有测量值或其他数据的数字信号。除了有特别要求之外，该设备在主从关系中总是作为从动装置起作用。从设备一般为常见的现场仪表，如压力变送器、温度变送器、执行器等。 （2）突发模式设备在固定的时间间隔发出带有测量值或其他数据的数字信号响应，而不包含被特别请求的数据。该设备通常是作为一个独立广播的设备。 （3）主设备负责初始化、控制和中止与从设备或突发模式设备的交互。主设备分为一级主设备和二级主

37、设备，这是为了在HART通信链路上同时使用这两种主设备。一级主设备和二级主设备使用相同的协议规则，只是使它们区分开的时限需要定制。通常一级主设备是指网桥，二级主设备指HART设备的手操器。 2-2-2-2 HART帧格式 在协议设计的全体设备中，数据都是以帧的形式传播。HART协议帧的内容是用户数据 8 河北工业大学硕士学位论文 9和地址信息的封装，它由前导符、定界符、地址域、命令域、数据域和校验和组成。帧的长度不固定，最长25字节。寻地址为015，当地址为0时，处于420mA模拟与数字通信兼容状态，当地址为115时，处于全数字通信状态。HART协议数据链路层对用户数据并不作任何解释。HART

38、帧主要被分为请求帧、应答帧和阵发帧，请求帧和应答帧的主要差别在于应答帧包含了数据通讯状态和变送器的工作状态。二者的格式见表2.2。 表2.2 HART请求帧/应答帧格式27 Table 2.2 Format of request frame/response frame 请求帧： FF FF 定界符 地址 命令字节字节长度数据 校验字节应答帧： FF FF 定界符 地址 命令字节字节长度响应码 数据 校验字节前导符：所有从主设备、从设备或突发模式设备发送的HART帧都由特定个数的十六进制“FF”字符放在前面，这些字符被称为一个帧的前导符。某些物理层协议需要它们去同步接收。由于前导符是物理层所要

39、求的，数据链路层提供一些管理服务支持以说明和决定一个应用需要的前导符个数。HART协议规定：前导字符的个数为520个。只有在收到连续的两个前导符后的定界符才标志着一个帧的开始。 定界符：表示HART帧的开始，定义了帧的类型及寻址格式。根据定界符的低3位b2b1b0。可以把HART帧分为请求帧（主从帧）、应答帧（从主帧）和突发模式帧。根据定界符的最高位b7可以把HART帧寻址信息分为长帧格式和短帧格式。一般设备进行通讯接收到2个FF字节后，就将侦听起始位。表2.3给了详细说明。 表2.3 HART协议通信帧格式 Table 2.3 Frame of HART communication prot

40、ocol 帧类型 长帧 b7=1 短帧 b7=0 突发模式帧 b2b1b0=001 0x81 0x1 请求帧 b2b1b0=010 0x82 0x2 应答帧 b2b1b0=110 0x86 0x6 地址：每一个HART帧中，都要用到源地址和目的地址。对于长帧和短帧，地址的格式是不同的。短帧格式地址长度为1个字节，低4位b3b2b1b0表示从设备的地址号，HART协议规定了地址号的范围为015位，在总线上最多只能挂15台变送器。长帧格式地址长度为5个字节，由第一字节的第6位及其后连续4个字节共38位构成，由仪表唯一标识码的低38位表示，由6位仪表制造厂商标识代号，8位仪表类型代码及24位仪表序列

41、号组成。使用长帧格式地址寻址，原理上在总线上所挂变送器的数量可以不受限制，可根据通讯扫描频率、通讯介质、功耗等决定在总线上所挂变送器的数量。如果长帧格式的低38位都是0，表示是广播地址，即消息发送给所有设备。 地址第一字节的最高位b7表示主设备地址位，b7=1时表示第一主设备；b7=0时表示第二主设备，如：手持器。第一字节的b6位表示现场仪表的阵发允许，b6=1时表示现场仪表允许阵发；b6=0时现场仪表不允许阵发，HART协议规定在总线上只允许一台变送器以阵发方式通讯。 命令字节：命令字节只有一个字节，它指明该帧所封装的HART命令号。命令字节值在HART通信协议在智能变送器中应用的研究 从设

42、备响应中原封不动地返回。有效范围为0255，主要表示现场仪表所要执行的功能。 字节长度：字节长度只有一个字节，它指明此字节与最后的校验字节之间（不包括该字节和校验字节）的数据字节个数。 数据域：在请求帧中，此域存放了用户对设备的请求数据。在应答帧中，此域存放了现场设备响应主设备的请求而返回的数据。数据域的字节数由上面的字节长度来指定。 响应码：它只存在于从机响应主机消息的时候，用两个字节表示，第1个字节表示通讯状态及现场仪表命令执行结果，当b7=1时，数据通讯出错，后续位代表了错误类型，如：奇/偶校验错，水平校验和错，数据帧错等；当b7=0时，表示现场仪表命令执行结果状态，如：命令未执行，命令

43、执行出错，命令执行警告。第2字节表示现场仪表的工作状态，如：变量超限、模拟输出饱和、仪表误操作等，保证了现场仪表数据的可靠性及仪表工作的安全性。 校验字节：表示从定界符开始对所有字节进行异或操作运算，确保通讯数据无差错传送28。HART协议对这些字节从两个方向进行传送消息的校验，即纵向校验（Longitudinal Parity）和垂直校验（Vertical Parity）。纵向校验值为这些字节依次按位异或后所得结果；垂直校验值为在通信过程中硬件自动对每个字节的所有位进行奇偶校验后产生的结果。 2-2-2-3 HART帧编码 HART帧每个字符由11位组成，其中包括1位起始位，8位数据，1位奇

44、/偶校验位及1位停止位。 编码格式有很多，在此我们采用的是曼彻斯特（Manchester）编码，又称为双向编码，这是一种超越传统数字传输极限的编码/解码方法。常规传输的主要缺陷是接收端没有时钟，无法识别收到数据位的开始与结束以及位的宽度等。而曼彻斯特编码解决了这个问题，它将普通NRZ二进制数据与其位率时钟相异或29。如图2.3（c）所示的波形。 (a)(b)(c)0 01 101NRZ数据时钟曼彻斯特编码000111 图2.3曼彻斯特编码 Fig 2.3 Code of Manchester 2-2-2-4 数据链路层服务 HART协议采用类似“令牌”方式访问通讯链路，只有得到令牌的站点可以访

45、问链路，它不是在通讯链路上循环转发令牌，而是采用设定定时器时间常数保证所挂设备能够访问链路。 通常HART协议按主/从方式链路，通讯由主设备发起，从设备先“听”后“答”，第一主设备和第二主设备以相同的优先权轮流访问通讯链路，但设定了不同的定时时间常数以防止“死锁”，避免两个主设备同时访问链路。当某一主设备通讯结束后，需要首先侦听载波，等待一段时间以确保另一主设备能够访问通讯链路，若链路上有载波存在，该主设备放弃使 10 河北工业大学硕士学位论文 11用链路；若定时时间溢出，该主设备可以继续访问通讯链路。当通讯链路上存在阵发设备时，一主设备只有阵发给另一个主设备通讯结束之后，方可访问通讯链路。H

46、ART协议把阵发功能作为现场仪表的一种可选功能。 2-2-3 应用层协议规范 应用层是HART协议的第3层，也是最高一层。HART协议的应用层以命令的格式提供编程接口，所有的读/写操作都以命令的形式完成。另外，链路管理等协议本身的一些功能也由命令来实现。 HART协议的每个命令由命令号完全标识。在通信时，一条命令按命令格式组装成一个完整的HART帧，然后一次发送出去。在数据链路层中规定了HART帧的格式，但数据链路层不解释HART帧中的数据段的含义，这个工作由HART协议的应用层完成。应用层执行主设备所请求的命令，HART协议把命令分为通用命令（Universal Commands）、普通应用

47、命令（Common-Practice Commands）及专用命令（Device-Specific Commands）。 通用命令：表示符合HART协议的现场仪表所必须执行的功能，在一定程度上保证了现场仪表的互操作性。通用命令对所有遵从HART协议的智能设备都适应。它的命令号范围是：030。如表2.4所示。 表2.4 通用命令30 Table 2.4 Universal Commands 命令 功能 0，11 1，2，3 6 12，13 17，18 14，15 16，19 读设备识别（厂商、设备类型、版本） 读测量值（基本变量、动态变量） 写轮询地址 读与设备有关的信息（设备描述、位号、日期）

48、 写与设备有关的信息（设备描述、位号、日期） 读设备信息（传感器信息、报警操作、范围） 读、写最终仪表组号 普通应用命令：对大多数HART智能设备都适用，但不要求完全一样，也就是表示大多数现场仪表所执行的功能，普通应用命令的命令号范围是：32127。如表2.5所示。 表2.5普通应用命令30 Table 2.5 Common-Practice Commands 命令 功能 33，61，110 34，35 36、37 38 39 41，42，43 44，47 43，45，46 48 49 读测量值（基本变量、动态变量） 写基本变量阻尼值、量程值 设置基本变量上、下限 复位组态改变标志 EPROM

49、控制 对话功能 写基本变量单位、传输功能 模拟输入，输出整流 读附加设备的状态 写基本变量传感器序列号 HART通信协议在智能变送器中应用的研究 12 5056 57，58 59 60，6270 107，109 用作传输变量 读、写单位标记、设备描述及日期 写响应前导码个数 使用复合模拟输出 突发模式控制 专用命令：只有一个或几个设备支持这些命令。这种设备通过执行专用命令来完成特殊功能、校正和特殊的数据处理；专用命令的命令号范围是：128255。 通用命令和普通应用命令的格式都是统一规定的，而专用命令的格式则是由各个仪表的生产厂商自行制定的。 2-2-4 三层间的功能关系 物理层的基本任务是为

50、数据传输提供合格的物理信号波形，且直接与传输介质连接。物理层作为电器接口，一方面接收来自数据链路层的信息，把它转换为物理信号，并传送到现场总线的传输媒体上，起到发送驱动器的作用；另一方面把来自总线传输媒体的物理信号转换为信息送往数据链路层，起到接受器的作用，当它收到来自数据链路层的数据信息时，需按照HART协议规范对数据帧加上前导码与定界符等，并对其实行数据编码即曼彻斯特编码，再经过发送驱动器，把所产生的物理信号传送到总线的传输媒体上。另一方面，它又从总线上接收来自其它设备的物理信号，对其去除前导码、定界符，并进行解码，把数据信息送往数据链路层。而数据链路层规定了物理层和应用层之间的接口，该层

51、还控制对传输介质的访问，决定是否可以访问或何时访问。 2-3 HART通信协议分析 2-3-1 HART协议消息包的起始和结束时的问题 HART通讯为了加快速度，采取了很多方法，例如前面提到的广播通讯模式，它一秒钟可以进行34次消息传送，另外要加快速度常常让一个现场设备立即应答主机命令消息，这就要求尽量减少消息之间的时间间隙，但是如果这些消息结构相距很近，就会来不及进行载波侦听，信号就要消失，为了降低功耗，解调模块受载波侦听输出的控制，后面将会详细说明。这样就会造成信号的丢失。所以，HART规则对消息包之间的最小时间间隙是有规定的，可以参考表2.6。 另外，不同UART对最后停止位定义的不同会

52、在消息的末尾引发另一个问题。在UART定义的停止位指的是时钟交替最后时刻为空的情况下，载波侦听随着最后的停止位而转变，但如果那时载波停止的话，调制解调器就会停止工作，这样停止位就无法发出，造成丢失。通常载波必须等到消息帧最后部分的最后一个比特发送完成后才能消失，而当UART通知CPU它已经空了的时候就意味着应该关闭载波，因此，必须明确所用UART设备的类型，如果使用的UART是上面所说的情况的话，在UART为空后还要至少等一个比特的时间才能关闭载波。如果不是，增加一个比特的延迟也不会造成什么危害。 2-3-2 时限规则 在主机与从设备进行通信的过程中，主机向从设备发送命令，或者是从设备向主机做

53、出应答等项况下，各条消息之间根据通讯方式的不同，HART规则有着不同的时间间隙要求。下面的表2.6给出了简单的时限规定。 河北工业大学硕士学位论文 13表2.6 HART协议时限规则30 Table 2.6 Rule of time limit of HART protocol 设备和消息类型 时间间隙 异步第一主机发送一条消息 异步第二主机发送一条消息 异步广播模式 305ms 380ms 305ms 在总线连续暂停后 同步主机发送信息 20-75ms 305ms 在应答其他主机后 在应答自身后 非广播式从机响应命令 0-256ms 在命令后 同步广播模式 75-256ms 0-20ms 在

54、前一广播消息后 在响应开始进入广播模式命令后，或在响应任一附加命令后 注意，上表中的时间是从校验位后面开始算起，而并从非载波结束开始算起，当设备第一次接入总线的时候，它是异步的，而当设备检测到总线已被激活时就开始同步并在第一条消息前就识别出设备类型。如果命令没有接收到应答信号，总线又将变为异步模式。 2-3-3 典型HART消息结构分析 主机到从机（请求帧） 表2.7主机向从机发送的信息 Table 2.7 Transmitted message from master to slave FF FF FF FF FF 82 A6 06 BC 61 4E 01 00 B0表2.7是主机到从机发送的一条消息。前5个字节值都为FF，是HART帧协议的前导符。随后的82起始字节，表示是主机到从机发出的长帧结构的请求帧消息。后5个字节“A6、06、BC、61、4E”是地址字节，它用二进制表示如表2