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1、,工业网络,第四章 常见的工业网络技术（5）HART 协议,引 言,HART 协议是由 Rosemount 公司于1986年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括 ISO/OSI 模型的物理层、数据链路层和应用层。HART 通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，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的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份额。,第五部分 HART 协议,什么是 HART 协议（1）,HART 协议（Highway Add
2、ressible Remote Transducer）是 Rosemount 公司于 1986 年提出的一项标准。实现 420mA 模拟信号与数字通讯兼容的标准，是现场总线的过渡 性标准。HART 协议是一个开放性协议，已成为智能仪表事实上的工业标准：1996年，HART 协议产品产量为60万台，Fisher-Rosemount 公司的 25 万台变送器中 HART 协议产品约占 76%。专家们预计，HART 在国际上的使用寿命为 15 20 年，在国内由 于客观条件所限，这个时间会更长一些。HART 不是真正的现场总线，而是从模拟控制系统向现场总线过渡的 一块踏脚石。,什么是 HART 协议
3、（2）,HART 技术作为一种从模拟信号到全数字信号过渡一种通讯协议，特别适合于目前企业的技术和设备的改造。未来的技术发展趋势是全数字化的通讯协议，但由于国际上各大集团对利益分割，无法形成一个统一的数字现场总线的标准。而 HART 协议作为目前控制行业事实上的工业标准，在近一段时间将会继续大量使用。,据 HART 基金会统计，2000 年有 75%的智能仪表仍采用 HART 协议。其估计 HART 技术在过程工业仍将继续广泛使用至少 1520年。在国内模拟仪表仍大量被使用，HART 产品还将具有相当长的生命周期，我们将面临一个巨大的市场。,模拟仪表与现场总线,HART 协议简介（1）,HART
4、 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 协议简介（2）,HART 的通信,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
5、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 的设备描述,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
6、 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 协议层次,HART 数据格式,HART 协议的数据链路层规定了通信数据的结构：每个字符由 11 位组成，其中包括：1 位 起始位 8 位 数据位 1 位 奇偶校验位 1 位 停止位,HART 的性能特点,模拟信号带有过程控制信息，同时，数字信号允许双向通信。这样
7、就使动态控制回路更灵活、有效和安全。因为 HART 协议能同时进行模拟和数字通信，因此，在与智能化现场仪表通信时还可使用 模拟表、记录仪及控制器。既具有常规模拟性能，又具有数字性能，用户在开始时可以将智能化仪表与现有的模拟系统 一起使用。在不对现场仪表进行改进的情况下逐步实现数字化，包括数字化过程变量。支持多主站数字通信：一根通信线上可同时连接几个智能化仪表，节省了接线费用。可通过租用电话线连接仪表：多点网络可以延伸到一段很长的距离，这样就可使远方的现场 仪表使用相对便宜的接口设备。允许“问答式”及成组通信方式。大多数应用都使用“问答式”通信方式，而那些要求有较快 过程数据刷新速率的应用可使用
8、成组通信方式。所有的 HART 仪表都使用一个公用报文结构。允许通信主机，如控制系统或计算机系统与 所有的与 HART 兼容的现场仪表以相同的方式通信。采用灵活的报文结构。允许增加具有新性能的新颖智能化仪表，而同时又能与现有仪表兼容。在一个报文中能处理 4 个过程变量。测量多个数据的仪表可在一个报文中进行一个以上的 过程变量的通信。在任一现场仪表中，HART 协议支持 256 个过程变量。,第五部分 HART 协议,HART 协议物理层概述,HART 协议是用于为过程控制设备提供可寻址远程通信服务的。HART 提供相对低的带宽和中等响应时间的通信，用于扩展传统的 4 20 mA 的模拟传输，其
9、典型应用包括远程过程变量查询、参数设定和对话。,数据链路层说明了基本的 HART 协议，而物理层则规定了信号的传输方式、信号电压、设备阻抗和传输介质等。通常情况下，物理层以双绞线为介质，它或是单独提供数字通信，或是在完成 4 20 mA 模拟信号传输的同时进行数字通信（1500m）。,HART 数据的传输是传统 4 20 mA 模拟信号传输的一种扩展。它在低频的 4 20 mA 电流上叠加了一高频电流，两种信号共享硬件，但在频率上是分开的。,HART 协议物理层,采用 Bell202 标准的 FSK 频移键控技术。,实现 420mA 模拟信号与数字通信的兼容。设备通信距离 1500 m。,物理
10、信号（1）,连接回路：,在连接一个现场装置的回路中电源、变送器和负载电阻可以任意顺序连接，且接地点亦可任意选择。手持终端或主站通讯电路不能直接跨接在电源两端，HART 规范允许负载电阻为 230 600 欧姆。有些 HART 装置采用就地电源提供激励以获得 4 20mA 输出和 HART 通信，而不是采用上述二线制方案。在多点运行时可以电流回路和激励电源共用一对线路，也可以采用三线制，由于三绞电缆不易得到，所以这种混合系统必须由两对双绞线构成并在负载电阻处连接在一起。,物理信号（2）,信号衰减与失真 65 S 限制：,任何网络都含有电阻和电容从而将引起传输信号的衰减延迟或相移为确保负载电阻两端
11、的 HART 信号可靠的接收从现场来的信号衰减不能超过 3db 为确保上述条件得到满足 HART 规范要求最小截止频率稍高于最高 HART 信号频率由电阻电容组合的 RC 时间常数值小于 65 秒在简单的 HART 系统中电阻是负载电阻与电缆电阻之和电容是电缆电容与所联装置电容之和电缆超过几米后其电阻和电容对RC 时间常数的影响不能忽略。,物理信号（3）,电源：,用于驱动 HART 回路的电源应满足下表要求：,数字信号要求,HART 信号由双绞线的两根导线之间的电压构成，它由主设备产生。现场仪表的电流信号通过网络电阻转换成电压。HART 数据帧是以异步方式来传送的串行字节序列，这是大多数在音频
12、电话线上进行数据传送所采取的方法。在数据帧期间，各设备将其信号用载波方式送上传输介质，帧与帧之间是默态（Silence），如图。一个数据帧由前导信号和消息组成。,HART 数据采用二值相位连续式频移键控信号以每秒 1200 比特的速率传送。一个字节的位序列由 1 个起始位、8 个数据位、1 个奇偶校验位和 1 个停止位组成，数据位的各位与奇偶校验位之和为奇数。,网 络 硬 件,信号发生单元：（1）基本主设备（2）现场仪表（3）副主设备,非信号发生单元：（1）模拟控制器（2）电缆（通信介质）（3）网络电源（4）本质安全隔离栅（5）接线盒、接线板、连接件（6）混合硬件（主要指通信器）,HART 能
13、辨认三种不同的设备，其中最基本的是现场设备，它能对主设备发出的命令作出响应，现场设备还可进一步分为从设备及成组模式设备。,第2种设备是基本主设备，它是与现场设备进行通信的主要设备。一个过程控制器单元是使用一个或多个基本主设备的例子。,第3种设备是副主设备，它是链路的临时使用者，如手持通信器。,HART 基于主 从（Master/Slave）协议原理，这意味着只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息。在一个 HART 网络中，两个主站（主和副）可以与一个从设备通信。副主站，如手持终端，几乎可以连接在网络任何地方，不影响主站通信的情况下与任何一个现场设备通信。典型的主站可以是 DCS、PLC、
14、基于计算机的控制或监测系统。如图是典型的两个主站的安装。,主从通信方式,正常 HART 模式,HART 协议可以使用不同的模式进行智能现场设备与中央控制或监测设备的信息往返通信。最常用的模式是在传送 4 20 mA 模拟信号同时进行主/从式数字通信，如图。这种模式允许来自从设备的数字信息在主设备上每秒更新两次。4 20 mA 模拟信号是连续的，仍然可以载送控制的主要变量。,成组通信模式,“Burst”（成组模式）是可选的通信模式，如图，允许单一的从站连续的广播一个标准的 HART 响应信息。这种模式将主站从为得到更新的过程变量信息而不断对从站发送命令请求的重复中解放出来。,同样的 HART 响
15、应信息（PV 或其他）连续的由从站广播，直到主站指示其它命令。采用“Burst”（成组模式）通信模式，依选择的命令不同，数据更新为每秒 3 4 次。“Burst”通信模式只能使用在单个从设备的网络中。,多点通信模式,HART 协议也支持在一个配置为多挂接的网络中在一条线对上连接多个设备，如图。在多挂接应用中，通信限定于数字主/从方式。流经每一个从设备的电流固定在一个用于驱动该设备的最小值（通常为 4 mA），而与过程毫无关系。,观察安装可知，与连接传统 4 20 mA 模拟仪表一样的电缆用来载送 HART 通信信号。所允许的电缆长度依电缆类型和连接的设备数目而不同，通常单芯带屏蔽双绞电缆长度可
16、达 3000 m，多芯带屏蔽双绞电缆可达 1500 m。更短的距离可使用非屏蔽电缆。可通过 HART 信号的本质安全栅/隔离器可以应用在危险场合。,第五部分 HART 协议,HART 数据链路层简介,通信方式：主从式通信由主设备来控制数据帧的传送最多允许 15 个从设备连接到一条多点通讯线上突发模式从设备定时重复发送数据帧半双工通讯方式 寻址范围：0 15当地址为 0 时，处于 420mADC 与数字通信兼容状态。当地址为 115 时，则处于全数字通信状态。,HART 数据帧格式,HART 数据帧通过被称为前导码的字符组合来界定，唯一的帧起始符标识帧的开始，长度场决定帧的结束位置。帧中数据的来
17、源及目的地址是由地址场决定的。协议与用户的接口是命令场（它表明是协议命令还是用户命令）和将协议处理结果传回该用户的响应场。如果有用户数据，将在数据场中传输。,帧中的所有部分，包括起始界定符在内，每个字节均跟随奇偶校验位，帧末还有横向奇偶校验场。帧中所有场都是整数字节长，帧中所有字节都在一连续的数据流中传输。,前导信号,所有由主设备、从设备或成组模式设备发送的帧都以一定数目的十六进制字符 FF 开头，这些字符称为帧的前导信号。这些信号在一些物理层的协议实现中用于对调制解调器电路系统进行预同步。虽然前导信号是物理层的要求，但数据链路层提供管理服务以说明和决定所需的前导信号数目。,寻 址,在每一帧中
18、协议均使用源地址和目的地址。对于从设备，地址是设备的唯一编号。地址场由 5 个字节组成，包含多种标识信息。从通信协议的角度看，标识的本质是不重要的，只要对每个从设备是唯一的即可。协议通常使用低38 位对从设备寻址。广播地址为38位0，设备应将具有这种地址的帧看作是直接发给自己的。具有广播地址的帧的应用必须通过帧中的其他参数来保证只有一个或没有设备对广播产生应答。,同时，协议动态地将一短型轮询地址与每一从设备在链路上关联起来。轮询地址用于在链路初始化时快速地扫描地址空间。协议在初始化时应能同正常操作时一样管理这些地址，必要时，它也能获得一个与特殊短型地址相关的唯一标识。,采用长帧还是短帧由帧起始
19、字节的首位决定。,作为数据链路请求源的基本主设备或副主设备由帧中的源地址区分。,成组模式的帧的产生无需主设备的请求，帧的源地址场中为主设备地址，目的地址场中为成组模式设备地址。成组模式帧是通过帧起始字符唯一编码来辩识的。,垂直奇偶校验,垂直奇偶校验是一种二维的奇偶校验，它既对单个字节中的每一位进行校验，又对报文传输中每一位的位置进行校验，如图。所传输的信息中的字节按行排列，第一字节在第一行。依次类推。粗竖线将奇偶校验位B8（由硬件自动产生）与字节分开，该位在接收端也由硬件自动校验，这就构成了纵向奇偶校验。在传输时，对各字节进行异或运算，最后结果即为垂直奇偶校验码，亦被作为一个字节传输，而且硬件
20、也对其进行校验，粗线下面为垂直校验码。,主设备到从设备的数据帧,所有由主设备、从设备或成组模式设备发送的帧都以一定数目的十六进制字符 FF 开头，这些字符称为帧的前导信号。这些信号在一些物理层的协议实现中用于对调制解调器电路系统进行预同步。虽然前导信号是物理层的要求，但数据链路层提供管理服务以说明和决定所需的前导信号数目。,从设备到主设备的数据帧,所有由主设备、从设备或成组模式设备发送的帧都以一定数目的十六进制字符 FF 开头，这些字符称为帧的前导信号。这些信号在一些物理层的协议实现中用于对调制解调器电路系统进行预同步。虽然前导信号是物理层的要求，但数据链路层提供管理服务以说明和决定所需的前导
21、信号数目。,成组模式设备到主设备的帧,所有由主设备、从设备或成组模式设备发送的帧都以一定数目的十六进制字符 FF 开头，这些字符称为帧的前导信号。这些信号在一些物理层的协议实现中用于对调制解调器电路系统进行预同步。虽然前导信号是物理层的要求，但数据链路层提供管理服务以说明和决定所需的前导信号数目。,HART 协议提供的服务,HART 协议提供的服务有：可靠的同级实体间的处理服务，这种服务不提 供重检测。可选择的、可靠的用于同级实体之间的服务，并提供“点到点”的分段处理及重检测。用于设备识别及组态的管理服务。,HART 协议规范,HART 介质访问协议只允许一个激活状态的主设备、一个激活状态的副
22、主设备和一个激活状态的成组模式设备共存，不支持一个以上的任何一种设备同时激活。,协议通常给两种主设备提供相同的优先级，允许它们在链路上交替通信。协议也可以通过对两种主设备在发生不可仲裁的同时进行访问时，给予不同的优先级来防止通信链路的死锁。仲裁机制是基于隐含令牌的简单规则。,第五部分 HART 协议,HART 通讯基于命令，也就是说主站发布命令，从站作出响应。对 HART 兼容的现场仪表，三种类型的命令提供读/写等信息访问功能（见图）。通用和普通操作命令在 HART 协议规范中定义。第三类，设备特殊命令，则对设备中的专门参数或特定设备的唯一功能进行自由定义。,HART 的基本命令,HART 的
23、通用命令,对所有符合 HART 协议的现场设备都适用的命令。包括以下内容：,读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数；读出传感器串联数目及其限制；写入轮询地址；读出制造厂及产品型号；读出主变量及单位；读出电流的输出及百分比输出；读写 8 个字符的标牌号，16 个字符的描述内 容以及日期等。,HART 的普通应用命令,适用于大部分符合 HART 协议的产品，但不同公司的 HART 产品可能会有少量区别，如写主变量单位，微调 DA 的零点和增益等。主要包括：,写入阻尼时间常数；写入变送器量程；标定（设置零点和量程）；微调主变量零点；微调 DAC 的零点和增益；完成自检及主机复位等。,HART 的特殊命
24、令,仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微调传感头校正等。主要包括：,读出或写入开方小流量截断值；启动、停止或清除累积器；选择主变量（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。,基于HART协议的圆卡硬件设计,HART 通讯模块的电路设计,HART 通讯模块FSK 频移键控信号Bell202 Modem带通滤波器输出波形整形电路,本质安全技术,减少储能元件 双重冗余齐纳管 符合本质安全 iaCT16 标准,HART 协议的应用,本 章 小 结,HART 协议的特点是具有与现场总线类似的体系结构，具有总线式的数字通讯，但HART 协议并不是真正的现场总线，它只是现场总线的雏形。由于 HART 协议在具备数字通讯同时又兼容现存的 4-20mA 模拟设备，因此，HART 是从模拟控制系统向现场总线过渡的一块踏脚石。,思 考 题,HART 协议的基本特点有哪些？HART 协议的物理层是如何规定的？在多点通信时，HART 协议为什么不能 同时传输模拟量？HART 协议的数据链路层规范是如何规 定的？HART 协议的基本命令的作用和功能？,
