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(shí)入手，著重分享HART協(xié)議命令格式方面的專業(yè)知識(shí)。

HART協(xié)議最初是由美國(guó)Rosemount公司開(kāi)發(fā)，使用FSK技術(shù)，在4-20mA信號(hào)上疊加一個(gè)頻率信號(hào)，成功實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)雙向通訊，而互相之間沒(méi)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(duì)電纜線上最多可以連接15個(gè)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(hào)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(hào)，在低頻的4-20mA模擬信號(hào)上疊，加一個(gè)頻率數(shù)字信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通信。

2、數(shù)字信號(hào)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(hào)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(shí)，處于4-20mA及數(shù)字信號(hào)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，現(xiàn)場(chǎng)儀表與兩個(gè)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(guò)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(shí)，輪詢地址始終為0。也就是說(shuō)，單站模式時(shí)數(shù)字信號(hào)和4～20mA模擬信號(hào)同時(shí)有效。

2、“1-15”處于全數(shù)字通信狀態(tài)，工作在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式，通信模式有“問(wèn)答”式、“突發(fā)”式(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、自動(dòng)連續(xù)地發(fā)送信息)。按問(wèn)答方式工作時(shí)的數(shù)據(jù)更新速率為2-3次/s，按突發(fā)方式工作時(shí)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(gè)電源，至多能連接15臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可有256個(gè)變量，每個(gè)信息最大可包含4個(gè)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(chǔ)存場(chǎng)地。

4、采用多點(diǎn)模式，4-20mA的模擬輸出信號(hào)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)傳輸線上的多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表的測(cè)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(chǎng)布線的費(fèi)用和減少主設(shè)備輸入接口電路，這對(duì)于控制系統(tǒng)有重要價(jià)值。

5、HART協(xié)議根據(jù)冗余檢錯(cuò)碼信息，采用自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)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(wú)差錯(cuò)傳送。

6、HART協(xié)議的幀格式以8位為一個(gè)字節(jié)進(jìn)行編碼，對(duì)每個(gè)字節(jié)加上一個(gè)起始位、一個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)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(lái)完成字節(jié)的傳輸。由于數(shù)據(jù)的有無(wú)和長(zhǎng)短不恒定，所以HART數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度不能超過(guò)25個(gè)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(gè)校驗(yàn)位。每一個(gè)應(yīng)答消息中包括現(xiàn)場(chǎng)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(wú)，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(gè)FF十六進(jìn)制字節(jié)。他實(shí)際上是同步信號(hào)，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(kāi)始通訊的時(shí)候，使用的是20個(gè)FF導(dǎo)言，從機(jī)應(yīng)答0信號(hào)時(shí)將告之主機(jī)他“希望”接收幾個(gè)字節(jié)的導(dǎo)言，另外主機(jī)也可以用59號(hào)命令告訴從機(jī)應(yīng)答時(shí)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(zhǎng)”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(shí)，起始位為02，長(zhǎng)幀時(shí)為82。從機(jī)到主機(jī)的短結(jié)構(gòu)值為06，長(zhǎng)結(jié)構(gòu)值為86。而為“突發(fā)”模式的短結(jié)構(gòu)值為01，長(zhǎng)結(jié)構(gòu)為81。一般設(shè)備進(jìn)行通訊接收到2個(gè)FF字節(jié)后，就將偵聽(tīng)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)中占5字節(jié)。無(wú)論長(zhǎng)結(jié)構(gòu)還是短結(jié)構(gòu)，因?yàn)镠ART協(xié)議中允許2個(gè)主機(jī)存在，所以我們用首字節(jié)的最高位來(lái)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?！巴话l(fā)”模式是特例，0，1值將交替出現(xiàn)，也就是說(shuō)，在該模式下，賦予2個(gè)主機(jī)的機(jī)會(huì)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(zhǎng)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(gè)字節(jié)表示從機(jī)設(shè)備型號(hào)代碼，后3-5個(gè)字節(jié)表示從機(jī)的設(shè)備序列號(hào)，構(gòu)成“唯一”標(biāo)志碼。

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

5、BCNT
數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度，他的值表示的是BCNT下一個(gè)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(shí)候，用2字節(jié)表示。他將報(bào)告通訊中的錯(cuò)誤、接收命令的狀態(tài)(如：設(shè)備忙、無(wú)法識(shí)別命令等)和從機(jī)的操作狀態(tài)。

如果我們?cè)谕ㄓ嵾^(guò)程中發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤，首字節(jié)的最高位(第7位)將置1，其余的7位將匯報(bào)出錯(cuò)誤的細(xì)節(jié)，而第2個(gè)字節(jié)全為0。否則，當(dāng)首字節(jié)的最高位為0時(shí)，表示通訊正常，其余的7位表示命令響應(yīng)情況，第2個(gè)字節(jié)表示場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的信息。

UART發(fā)現(xiàn)的通訊錯(cuò)誤一般有：奇偶校驗(yàn)、溢出和結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤等。命令響應(yīng)碼可以有128個(gè)，表示錯(cuò)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(guò)特殊命令進(jìn)行定義、規(guī)定。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)信息用來(lái)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(shuō)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(guò)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(wú)符號(hào)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(gè)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(kāi)始到奇偶校驗(yàn)前一個(gè)字節(jié)為止。另外，每一個(gè)字節(jié)都有1位的校驗(yàn)位，這兩者的結(jié)合可以檢測(cè)出3位的突發(fā)錯(cuò)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(shí)別(廠商、設(shè)備類型、版本)
1，2，3：讀測(cè)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(hào)，傳感限，報(bào)警操作，范圍，傳輸結(jié)構(gòu))
16，19：讀、寫最終裝配號(hào)

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(hào)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(shí)輸入設(shè)備的特殊信息，一般用戶是不會(huì)改動(dòng)的，像設(shè)備識(shí)別號(hào)之類。也可以用于直接讀、寫存儲(chǔ)器。

33，61，110：讀測(cè)量值
34-37，44，47：設(shè)置操作變量(范圍、時(shí)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(duì)話功能(固定電流模式、自測(cè)、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(hào)
50-56：用傳輸變量
57，58：?jiǎn)卧畔?標(biāo)志、描述、數(shù)據(jù))
59：寫所需導(dǎo)言號(hào)
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(shí)別現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。我們知道無(wú)論采用長(zhǎng)結(jié)構(gòu)還是短結(jié)構(gòu)都可以標(biāo)識(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，應(yīng)答0號(hào)命令的信息中就包含了對(duì)不同設(shè)備的標(biāo)識(shí)；然后，主機(jī)建立不同的標(biāo)志，為隨后的長(zhǎng)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(gè)是生產(chǎn)廠商代碼，另一個(gè)是設(shè)備類型代碼。而兩個(gè)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(hào)代替了最終流水線號(hào)。

一個(gè)主機(jī)通常以0號(hào)命令開(kāi)始通訊，賦予隨選地址0，然后掃描1-15地址，看誰(shuí)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(hào)命令，再帶一個(gè)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(hào)命令等同于0號(hào)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(gè)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)的消息。后5個(gè)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(jiàn)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(hào)；
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(hào)代碼，06代表的型號(hào)是3051C；
④后面的3個(gè)字節(jié)是設(shè)備識(shí)別號(hào)，本例中的值為12345678；
⑤再接下來(lái)的01是命令字節(jié)，表示1號(hào)命令，即讀取PV值后面的00是表示數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；
⑥本例中無(wú)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(gè)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(gè)字節(jié)81表示突發(fā)的長(zhǎng)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(jì)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(guò)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(hào)命令格式說(shuō)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(gè)起始位“23”和在校驗(yàn)位后加了一個(gè)結(jié)束符“40”。
例如：發(fā)送讀取設(shè)備序號(hào)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?cái)?shù)據(jù)命令注解如下表所示：



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

發(fā)送讀取液位計(jì)動(dòng)態(tài)變量命令
命令格式說(shuō)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?cái)?shù)據(jù)命令注解如下表所示：



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