現(xiàn)場總線第四章HART通信協(xié)議第一頁，共105頁。一、控制網(wǎng)絡(luò)的特點二、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳輸介質(zhì)三、網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)的訪問控制方式四、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及其通信參考模型五、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備六、一致性與互操作性測試技術(shù)第三章內(nèi)容回顧第二頁，共105頁。現(xiàn)場總線技術(shù)課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)第一章現(xiàn)場總線技術(shù)概述第二章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)第三章控制網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)第四章HART通信協(xié)議第六章EPA工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議第五章工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)第三頁，共105頁。一、HART的基本特點二、HART協(xié)議物理層技術(shù)規(guī)范三、HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范四、HART命令簡介五、HART協(xié)議的應(yīng)用HART通信協(xié)議第四頁，共105頁。本章思考題HART通信協(xié)議一、HART協(xié)議最為突出的特點是什么？二、簡要概述HART協(xié)議的兩種通信模式，HART協(xié)議的點對點模式和多點模式各自的地址范圍是多少。三、HART協(xié)議總線可掛接的儀表數(shù)量最多為多少？四、HART協(xié)議的地址段有哪兩種編址方式？五、畫出HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的組成示意圖，并對每個字段部分進(jìn)行解釋說明。六、HART協(xié)議的應(yīng)用層有哪三種命令？各自主要區(qū)別是什么？第五頁，共105頁。本章思考題HART通信協(xié)議七、現(xiàn)有一臺HART主設(shè)備將1條命令發(fā)給了一臺HART變送器。數(shù)據(jù)幀格式如下：問：按意義，上述報文可分成哪幾個組成部分？對組成報文的各個組成部分進(jìn)行解釋說明；設(shè)備發(fā)出的是幾號命令？計算校驗字節(jié)CH應(yīng)等于什么（十六進(jìn)制表示）？FFFFFF82A606BC614E0100CH第六頁，共105頁。4.1HART的基本特點HART通信協(xié)議相關(guān)知識——兩線制變送器一、現(xiàn)場過程檢測儀表一般都采用兩線制環(huán)路供電，也就是供電電壓為12-48V，而環(huán)路中的電流為工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)電流4-20mA。因此整個儀表必須保證4mA供電下正常工作。二、兩線制變送器將傳感器信號變送為4-20mA的電流信號輸出,而且輸出信號線與電源線復(fù)用。兩線制變送的突出優(yōu)點是現(xiàn)場變送器與控制室儀表之間的聯(lián)系僅僅使用兩根雙絞線,這兩根雙絞線既是供給變送器工作的電源線,又是信號輸出線，接口線路簡單。第七頁，共105頁。4.1HART的基本特點HART通信協(xié)議80年代中期，Rosemount公司（Emerson）提出HART協(xié)議(HighwayAddressableRemoteTransducer)可尋址遠(yuǎn)程變送器數(shù)據(jù)通道●用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備之間通信；●

HART通訊協(xié)議不能算作嚴(yán)格的現(xiàn)場總線，但它是一項很好的過渡性通訊協(xié)議；●1993年，Rosemount將HART協(xié)議所有權(quán)和HART標(biāo)志注冊權(quán)轉(zhuǎn)交給HART通信基金會HCF；●盡管HART遲早要被全數(shù)字化的現(xiàn)場總線所取代，但HART智能變送器仍會有十年左右的市場。●這項協(xié)議是公開的，只要較少的費用即可購買這一標(biāo)準(zhǔn)的全部文件。MaybeaslongasDCS’slife第八頁，共105頁。4.1HART的基本特點HART通信協(xié)議HART協(xié)議最突出的特點

HART協(xié)議又稱為混合協(xié)議,是因為它將模擬量和數(shù)字量通信相融合。它既支持4-20mA模擬信號的單變量通信，也可以將附加信息以數(shù)字信號的方式進(jìn)行通信。數(shù)字信息以FSK調(diào)制方式加載在標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流回路上。通過采用濾波技術(shù)，可以從模擬信號中去除掉數(shù)字信號，數(shù)字信號并不會影響模擬量信號的傳輸。因此，HART協(xié)議最突出的特點是：數(shù)字通信與模擬信號4～20mA兼容，傳輸?shù)男盘栍谜{(diào)制后的正弦信號疊加在4～20mA的模擬信號上。第九頁，共105頁。4.1HART的基本特點HART通信協(xié)議HART協(xié)議的優(yōu)點一、雙向通信采用模擬量信號只能單向傳送信息，要么是從設(shè)備到主機(jī)（輸入），要么是從主機(jī)到設(shè)備（輸出）。而采用HART協(xié)議可以雙向傳送數(shù)字信息。這突破了以往傳統(tǒng)儀表只能從主機(jī)接收控制信號的方式——比如閥門控制，也可以向主機(jī)傳遞閥門中的信息狀態(tài)。同樣，以往只能把過程變量發(fā)送給監(jiān)控計算機(jī)，現(xiàn)在也可以接收諸如組態(tài)設(shè)置之類的信息。第十頁，共105頁。4.1HART的基本特點HART通信協(xié)議HART協(xié)議的優(yōu)點二、新類型信息傳統(tǒng)的模擬量和離散量設(shè)備只能以單過程變量方式通信——因而很難找到一種簡便的方式判定發(fā)送的信息是否有效。采用HART，不但可以獲取過程變量，還可以獲得其他類型的信息。每個HART設(shè)備中包括35-40個標(biāo)準(zhǔn)信息項。比如：①設(shè)備狀態(tài)＆診斷報警②過程變量＆單位③回路電流＆百分比范圍④生產(chǎn)商＆設(shè)備標(biāo)簽，其他的信息還包括：主機(jī)以數(shù)字方式查詢HART設(shè)備，并告知設(shè)備的設(shè)置是否正確，運行是否正常。該功能可免除大多數(shù)的日常檢驗工作，并有助于在故障導(dǎo)致重大問題之前發(fā)現(xiàn)過程故障。第十一頁，共105頁。4.1HART的基本特點HART通信協(xié)議HART協(xié)議的優(yōu)點三、多變量儀表數(shù)字通信模式下，一對電纜可以處理多個變量。例如，一個變送器可以處理多個傳感器的輸入。在一個報文中能處理4個過程變量。在任一現(xiàn)場儀表中，HART協(xié)議支持256個過程變量。單變量變送器——多變量的智能變送器四、不受制于供應(yīng)商采用HART時，用戶不會受制于某個特定的供應(yīng)商或地方“標(biāo)準(zhǔn)”。這是由于HART技術(shù)并不屬于某一家公司，也不受一個國家或標(biāo)準(zhǔn)實體單位的控制。實際上，該技術(shù)由不受約束的非盈利性單位HART通信基金會管理。第十二頁，共105頁。4.1HART的基本特點HART通信協(xié)議HART協(xié)議的優(yōu)點五、多渠道供應(yīng)就過程工業(yè)而言，HART是目前世界上廣泛采用的協(xié)議。可以從不同供應(yīng)商那里獲取近幾百種采用HART技術(shù)的產(chǎn)品。產(chǎn)品種類的齊全意味著HART產(chǎn)品幾乎能夠滿足所有過程應(yīng)用場合的需要—并且還可以從多個經(jīng)銷商產(chǎn)品中選擇最適合的一款。六、可互操作性完全可互操作性意味著無論是哪個供應(yīng)商的HART兼容產(chǎn)品和主系統(tǒng)都可以協(xié)同工作。為與HART設(shè)備實現(xiàn)兼容，一些主系統(tǒng)采用統(tǒng)一表示的指令，更進(jìn)一步的系統(tǒng)則采用設(shè)備描述以理解所有HART信息。第十三頁，共105頁。4.1HART的基本特點HART通信協(xié)議HART協(xié)議層次結(jié)構(gòu)第十四頁，共105頁。4.1HART的基本特點HART通信協(xié)議HART協(xié)議模型右圖為HART協(xié)議實現(xiàn)的概念模型，它只是一個參考模型，而不是實際實現(xiàn)的描述。該模型分5個組成部分。其中的兩個用戶/協(xié)議接口和協(xié)議/物理層接口描述了提供給相鄰層或被相鄰層請求的服務(wù)。其他三部分構(gòu)成協(xié)議本身。接收和發(fā)送部分描述了消息傳輸和接收的處理，而鏈路層協(xié)議部分通過調(diào)用上述部分來實現(xiàn)其余協(xié)議。第十五頁，共105頁。4.2HART協(xié)議物理層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議物理層規(guī)定了信號傳輸方法、信號電平、設(shè)備阻抗和傳輸媒體。數(shù)據(jù)鏈路層與物理層的關(guān)系第十六頁，共105頁。4.2HART協(xié)議物理層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議基于Bell202通信標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控FSK技術(shù)。它在4~20mA的模擬信號上疊加幅度為0.5mA的正弦電流調(diào)制波信號。由于正弦信號的平均值為0，所以HART通信協(xié)議雖然有±0.5mA信號調(diào)制于4～20mA信號之上，卻不影響4～20mA的平均值。因為1200Hz表示邏輯“1”,決定了HART的通信傳輸速率是1200bps.第十七頁，共105頁。4.2HART協(xié)議物理層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議智能設(shè)備要檢出HART通信信號，要求它有0.25Vp-p（峰-峰電壓）以上的電平,因而二線制智能設(shè)備與電源之間至少要有250Ω以上的電阻,以免這一信號被電源的低內(nèi)阻所短路。+0.5mA-0.5mA1200Hz“1”2200Hz“0”注意第十八頁，共105頁。4.2HART協(xié)議物理層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議HART能辨認(rèn)三種不同設(shè)備：一、從設(shè)備：它能對主設(shè)備發(fā)出的命令做出響應(yīng)。是最普遍最基本的設(shè)備，它接受與提供帶有測量值或其他數(shù)據(jù)的數(shù)字信號。從設(shè)備一般為常見的現(xiàn)場儀表，如壓力傳感器、溫度傳感器、執(zhí)行器等。但只在被請求時才進(jìn)行通信。第十九頁，共105頁。4.2HART協(xié)議物理層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議二、成組模式設(shè)備這種設(shè)備無需數(shù)據(jù)請求即可在固定的時間間隔周期性地發(fā)出帶有測量值或其他的數(shù)據(jù)的數(shù)字信號，亦即這類設(shè)備通常作為獨立的數(shù)據(jù)廣播設(shè)備。是具有成組通信能力的從設(shè)備。三、主設(shè)備主設(shè)備分：基本主設(shè)備和副主設(shè)備。主設(shè)備負(fù)責(zé)從設(shè)備及成組模式設(shè)備的初始化、數(shù)據(jù)交換及控制功能。一個過程控制器單元是基本主設(shè)備的例子。副主設(shè)備是鏈路的臨時使用者。手持通信器（Hand-holdTerminal,HHT）便是一例。為使兩種主設(shè)備能同時在通信鏈路上使用，協(xié)議具有對基本主設(shè)備和副主設(shè)備進(jìn)行區(qū)分的能力。第二十頁，共105頁。4.2HART協(xié)議物理層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議通信介質(zhì)1.HART通訊中可以使用現(xiàn)有的多數(shù)電纜，最好采用帶屏蔽的直徑大于0.51mm的電纜。2.通信介質(zhì)的選擇視傳輸距離長短而定。通常采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質(zhì)時，單臺設(shè)備使用距離可達(dá)3000米，多站最大傳輸距離可達(dá)到1500米。線路總阻抗應(yīng)在230～1100Ω之間。HART網(wǎng)絡(luò)硬件分類1.信號發(fā)生單元——基本主設(shè)備、副主設(shè)備、現(xiàn)場設(shè)備2.非信號發(fā)生單元——模擬控制器、電纜、網(wǎng)絡(luò)電源、隔離柵、接線板等。第二十一頁，共105頁。4.2HART協(xié)議物理層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議HART的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本主設(shè)備或模擬控制器，信號發(fā)生單元可接到網(wǎng)絡(luò)的任何位置，現(xiàn)場儀表和副主設(shè)備并聯(lián)到線路。網(wǎng)絡(luò)至少需要一個基本主設(shè)備或模擬控制器和一個現(xiàn)場儀表。

HART通信采用的是半雙工的通信方式，可以實現(xiàn)總線供電方式，頻帶傳輸方式。第二十二頁，共105頁。4.2HART協(xié)議物理層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議HART數(shù)字信號要求HART數(shù)據(jù)幀是以異步方式傳送的串行字節(jié)序列。數(shù)據(jù)幀期間，各設(shè)備將其信號用載波方式發(fā)送到傳輸介質(zhì)，采用前導(dǎo)信號進(jìn)行通訊的同步。幀與幀之間是默態(tài)。數(shù)據(jù)幀由前導(dǎo)信號和消息組成。第二十三頁，共105頁。4.2HART協(xié)議物理層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議HART協(xié)議的兩種連接方式第二十四頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層：規(guī)定了通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，提供了一個可靠的、面向交互的通信路徑，現(xiàn)場總線設(shè)備可以經(jīng)由該路徑接收或發(fā)送數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。規(guī)定了HART幀的格式，實現(xiàn)建立、維護(hù)、終結(jié)鏈路通信功能。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，消除由于線路噪音或其他干擾引起的數(shù)據(jù)通信出錯，實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)無差錯傳送。第二十五頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議一、

HART協(xié)議的兩種通信模式

主從模式（master-slavemode）

成組模式(burstmode)二、

HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)字節(jié)格式，數(shù)據(jù)幀格式，差錯校驗方法三、HART協(xié)議提供的服務(wù)四、HART協(xié)議規(guī)范第二十六頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議一、HART協(xié)議的兩種通信模式

HART協(xié)議的主從通信模式1.每次通信都是主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)出命令，而從設(shè)備予以回答。2.對于典型的幀長度和延遲，這種方式每秒鐘可以完成兩次數(shù)據(jù)幀傳輸。3.系統(tǒng)允許有兩臺主設(shè)備，并被分為：基本主設(shè)備和副主設(shè)備；基本主設(shè)備通常是監(jiān)控PC機(jī)或控制室設(shè)備;

副主設(shè)備通常是手持通信器(HHT)。第二十七頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議一、

HART協(xié)議的兩種通信模式

HART協(xié)議的主從通信模式

1.從設(shè)備可尋址范圍是0~15。

2.在非本安情況下，從設(shè)備最多可有15臺。在本安情況下，由于線路電流能量限制，從設(shè)備最多只能有4臺。

3.當(dāng)從設(shè)備地址為0時，為點對點模式，HART智能變送器處于

4~20mA與數(shù)字通信兼容的狀態(tài)。

4.當(dāng)從設(shè)備地址為1~15時，為多點或多站模式，HART智能變送器處于全數(shù)字通信狀態(tài)。第二十八頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議一、HART協(xié)議的兩種通信模式

HART協(xié)議的成組通信模式1.無需主設(shè)備發(fā)出請求，而從設(shè)備自動地連續(xù)發(fā)出數(shù)據(jù)。

2.從設(shè)備突發(fā)模式的啟動和終止，由主設(shè)備通過命令來控制的。3.成組方式的數(shù)據(jù)幀傳輸速率較快，可提高到每秒3.7次。

無論是“點對點”的連接方式,還是“多點”的連接方式，通常只能有一臺現(xiàn)場從設(shè)備可以使用成組通信模式。第二十九頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議二、

HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)字節(jié)(byte)格式

1bit起始位，8bit數(shù)據(jù)，

1bit奇偶校驗位，

1bit停止位。現(xiàn)場儀表要執(zhí)行HART指令，操作數(shù)必須合乎指定的大小。每個獨立的字符包括1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個奇偶校驗位和一個停止位。數(shù)據(jù)位的各位與奇偶校驗位之和為奇數(shù)。由于數(shù)據(jù)的有無和長短并不恒定，所以HART數(shù)據(jù)的長度也是不一樣的，最長的HART數(shù)據(jù)段包含25個字節(jié)。

第三十頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議二、

HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)在協(xié)議涉及的全體設(shè)備中，數(shù)據(jù)都是以幀的形式傳輸。HART協(xié)議的幀的內(nèi)容是用戶數(shù)據(jù)和地址信息的封裝,它由前導(dǎo)符、定界符、地址符、命令域、數(shù)據(jù)域和校驗和組成。幀中的所有部分，包括起始定界符，每個字節(jié)均跟隨奇偶校驗位,幀末還有橫向（縱向）奇偶校驗。幀的形式有多種:根據(jù)發(fā)送者的不同分為:主-從幀和從-主幀.根據(jù)通信地址的長度可分為:長型幀和短型幀.第三十一頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議HART數(shù)據(jù)幀的格式FFFF定界符地址命令數(shù)據(jù)校驗字節(jié)FFFF定界符地址命令數(shù)據(jù)校驗字節(jié)響應(yīng)碼主-從幀從-主幀第三十二頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議二、

HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)1.前導(dǎo)符：2-20字節(jié)，用于與接收器之間的同步。在首次開始通信或數(shù)據(jù)幀重發(fā)時，應(yīng)使用20字節(jié)的前導(dǎo)碼。所有由主設(shè)備、從設(shè)備或成組模式設(shè)備發(fā)送的幀都以一定數(shù)目的十六進(jìn)制字符FF開頭，這些字符稱為幀的前導(dǎo)信號。雖然前導(dǎo)信號是物理層的要求，但數(shù)據(jù)鏈路層提供管理服務(wù)以說明和決定所需的前導(dǎo)信號數(shù)目。FFFF定界符地址命令數(shù)據(jù)校驗字節(jié)FFFF定界符地址命令數(shù)據(jù)校驗字節(jié)響應(yīng)碼主-從幀從-主幀第三十三頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議二、

HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)2.定界符：只有1字節(jié)。此字段的最高位決定該幀是長型幀還是短型幀；低三位表示了不同的幀的類型，其余位保留。短幀：01H，02H，06H長幀：81H，82H，86H第三十四頁，共105頁。3.地址每一個HART幀中，都要用到源地址和目的地址。對于長幀和短幀，地址的格式是不同的。長幀格式地址：共５個字節(jié)（４０位）。長幀格式地址建立在設(shè)備唯一標(biāo)識符的基礎(chǔ)上，設(shè)備唯一標(biāo)識符標(biāo)志了每個從設(shè)備或現(xiàn)場儀表。它分為三個部分：(1).第一字節(jié)的最高位是主設(shè)備地址位，該位為１時表示基本主設(shè)備，為０時表示副主設(shè)備。(2).第一字節(jié)的第六位是成組模式設(shè)備，該位為１時，表示從設(shè)備處于成組模式，為０時表示從設(shè)備沒有處于成組模式。(3).長地址的其他部分是設(shè)備的惟一標(biāo)識符，共３８位。均為0表示廣播地址。２～５字節(jié)長幀地址字節(jié)：５字節(jié)從設(shè)備地址成組模式位主設(shè)備地址第三十五頁，共105頁。3.地址短幀格式地址：只有１字節(jié)。為保證向后兼容性，ＨART協(xié)議規(guī)定只有0號通用命令支持短幀格式。它使協(xié)議可動態(tài)地將鏈路上每個設(shè)備與一個短幀地址相關(guān)聯(lián)。短幀地址可在鏈路初始化時使用，以便快速檢測鏈路地址空間。短幀地址分四部分:最高位是主設(shè)備地址:該位為1時表示主設(shè)備,為0時表示副主設(shè)備；第六位為成組模式設(shè)備位:為1時表示從設(shè)備處于成組模式,為0時,表示從設(shè)備沒處于成組模式；第四、五位必須置為0；最低四位表示巡檢地址。００巡檢地址設(shè)置為０成組模式位主設(shè)備地址短幀地址字節(jié)：１字節(jié)第三十六頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議二、

HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)4.命令字節(jié)：為1字節(jié)它表明該幀所封裝的HART命令，命令字節(jié)值在從設(shè)備響應(yīng)中原封不動地返回。5.字節(jié)計數(shù)：為1字節(jié)它表明此字節(jié)與最后的幀校驗字節(jié)之間的數(shù)據(jù)字節(jié)個數(shù)。用于識別幀的結(jié)束。字節(jié)長度范圍應(yīng)該是在0-27。FFFF定界符地址命令數(shù)據(jù)校驗字節(jié)FFFF定界符地址命令數(shù)據(jù)校驗字節(jié)響應(yīng)碼主-從幀從-主幀第三十七頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議二、

HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)6.數(shù)據(jù)域：由整數(shù)字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)構(gòu)成，長度為0-25字節(jié)。在主-從幀中，數(shù)據(jù)域存放用戶對設(shè)備的請求數(shù)據(jù)。在從-主幀中，數(shù)據(jù)域存放現(xiàn)場設(shè)備響應(yīng)的請求數(shù)據(jù)。FFFF定界符地址命令數(shù)據(jù)校驗字節(jié)FFFF定界符地址命令數(shù)據(jù)校驗字節(jié)響應(yīng)碼主-從幀從-主幀第三十八頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議二、

HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)7.校驗字節(jié)：1個字節(jié)。校驗字節(jié)存放了對幀中所有字節(jié)（不包括前導(dǎo)符和該字節(jié)）進(jìn)行水平校驗的結(jié)果。8.響應(yīng)碼：2字節(jié)，只在從-主幀中出現(xiàn)。響應(yīng)碼第一字節(jié)指明通信狀態(tài)。第二字節(jié)表示現(xiàn)場設(shè)備工作狀態(tài)。該幀數(shù)據(jù)只有在響應(yīng)碼第一字節(jié)的位7（b7)為0時才有效。FFFF定界符地址命令數(shù)據(jù)校驗字節(jié)響應(yīng)碼從-主幀第三十九頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議HART數(shù)據(jù)幀的格式：短幀第四十頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議HART數(shù)據(jù)幀的格式：長幀第四十一頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議

差錯校驗

HART通信的數(shù)據(jù)差錯校驗采用垂直水平(縱橫)校驗法。HART協(xié)議在兩個方向上對傳送信息進(jìn)行校驗：垂直校驗值是通信過程中硬件自動對每個字節(jié)所有位進(jìn)行奇偶校驗后產(chǎn)生的結(jié)果。水平校驗值是所有字節(jié)依次按位進(jìn)行異或運算的結(jié)果。第四十二頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議

差錯校驗

HART通信的數(shù)據(jù)差錯校驗采用水平和垂直（縱橫）校驗法。即：每個字節(jié)有奇偶校驗（垂直校驗）,一個完整的HART數(shù)據(jù)還用一個字節(jié)進(jìn)行長度方向的奇偶校驗（水平校驗）。垂直水平奇偶校驗異或校驗和奇校驗消息字節(jié)第四十三頁，共105頁。4.3HART數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范HART通信協(xié)議HART數(shù)據(jù)舉例：一對HART數(shù)據(jù)A是主設(shè)備向現(xiàn)場智能設(shè)備發(fā)出的讀過程變量的命令。FFFF82A606BC614E0100B0每個HART的數(shù)據(jù)格式下圖所示前導(dǎo)碼SDADCDBC狀態(tài)

數(shù)據(jù)

ch字節(jié)計數(shù)HART命令地址幀前定界碼變送器和通信情況SDADCDBCChAB是現(xiàn)場設(shè)備收到信號A后將過程變量發(fā)向主設(shè)備。SDADCDBCChFFFF86A606BC614E010700B000640B0000045狀態(tài)數(shù)據(jù)第四十四頁，共105頁。4.4HART命令簡介HART通信協(xié)議1.HART協(xié)議應(yīng)用層是建立在HART命令基礎(chǔ)上的；2.Smart從設(shè)備根據(jù)這些命令可以辨別對方信息的含義。3.這些命令分為三類，通用命令(Universalcommands)，對應(yīng)的命令代碼范圍是0~30；常用命令(common-practicecommands),對應(yīng)的命令代碼范圍是32~126;專用命令(Device-Specificcommands),對應(yīng)的命令代碼范圍是128~253。第四十五頁，共105頁。4.4HART命令簡介HART通信協(xié)議

通用命令第一類命令是通用的，對所有遵守HART協(xié)議的Smart設(shè)備，不管它是什么公司的產(chǎn)品都應(yīng)適用。這些命令提供的功能為所有設(shè)備所具有。例如讀制造廠及產(chǎn)品型號，原始過程變量及單位，讀電流輸出及百分比輸出等等。第四十六頁，共105頁。4.4HART命令簡介HART通信協(xié)議常用命令第二類命令對大多數(shù)Smart設(shè)備適用，但不要求完全一樣。這些命令提供的功能不一定所有設(shè)備都具有。它用于常用的操作，如寫變量阻尼值、標(biāo)定、寫過程變量單位等等。第四十七頁，共105頁。4.4HART命令簡介HART通信協(xié)議專用命令第三類命令是針對每種具體設(shè)備的特殊性而設(shè)立的，因而它完全不要求統(tǒng)一。例如SMAR公司的壓力變送器LD301具有PID運算功能的有關(guān)命令，其它沒有這一功能的變送器就不具備。第四十八頁，共105頁。4.4HART命令簡介HART通信協(xié)議HART三類命令適應(yīng)等級

第四十九頁，共105頁。4.5HART協(xié)議的應(yīng)用HART通信協(xié)議HART通信協(xié)議的應(yīng)用分類第一類：數(shù)字通信與4～20mA并存；第二類：全數(shù)字通信，又分為“點對點”與“多站”結(jié)構(gòu)。第五十頁，共105頁。4.5HART協(xié)議的應(yīng)用HART通信協(xié)議智能變送器模擬使用時與手持編程器(HHT)通訊4-20mA第五十一頁，共105頁。4.5HART協(xié)議的應(yīng)用HART通信協(xié)議安全隔離柵MTL5043的應(yīng)用第五十二頁，共105頁。4.5HART協(xié)議的應(yīng)用HART通信協(xié)議用PC機(jī)和HART智能變送器構(gòu)成微型DCS第五十三頁，共105頁。本章思考題HART通信協(xié)議一、HART協(xié)議最為突出的特點是什么？二、簡要概述HART協(xié)議的兩種通信模式，HART協(xié)議的點對點模式和多點模式各自的地址范圍是多少。三、HART協(xié)議總線可掛接的儀表數(shù)量最多為多少？四、HART協(xié)議的地址段有哪兩種編址方式？五、畫出HART協(xié)議數(shù)據(jù)幀的組成示意圖，并對每個字段部分進(jìn)行解釋說明。六、HART協(xié)議的應(yīng)用層有哪三種命令？各自主要區(qū)別是什么？第五十四頁，共105頁。本章思考題HART通信協(xié)議七、現(xiàn)有一臺HART主設(shè)備將1條命令發(fā)給了一臺HART變送器。數(shù)據(jù)幀格式如下：問：按意義，上述報文可分成哪幾個組成部分？對組成報文的各個組成部分進(jìn)行解釋說明；設(shè)備發(fā)出的是幾號命令？計算校驗字節(jié)CH應(yīng)等于什么（十六進(jìn)制表示）？FFFFFF82A606BC614E0100CH第五十五頁，共105頁。現(xiàn)場總線的發(fā)展與展望現(xiàn)場總線產(chǎn)生的必然性當(dāng)前控制系統(tǒng)（如DCS）存在的問題決策層只能在最高層，對于下層設(shè)備很少授權(quán)。在高層設(shè)備出故障時，下層設(shè)備只能維持現(xiàn)狀。下層設(shè)備間的信息交流困難模擬儀表的缺點一對一結(jié)構(gòu)可靠性差操作員對儀表無法控制互換性差第五十六頁，共105頁。現(xiàn)場總線的發(fā)展與展望現(xiàn)場總線的優(yōu)點一對多結(jié)構(gòu)可靠性高操作員對儀表狀態(tài)可控互換性好具有互操作性綜合功能強(qiáng)，實現(xiàn)儀表多用徹底的分散控制統(tǒng)一組態(tài)，簡單方便開放式系統(tǒng)第五十七頁，共105頁。傳統(tǒng)DCS控制層第五十八頁，共105頁。現(xiàn)代FCS控制層數(shù)字信號取代4～20mA現(xiàn)場的管理與控制的統(tǒng)一一些基本過程控制在現(xiàn)場完成設(shè)備非控制信息增加網(wǎng)橋控制器H2分散控制系統(tǒng)總線H2H1H1H1H1H1——低速現(xiàn)場總線31.25kbps2～32個設(shè)備/段供電與通信本質(zhì)安全能利用已有的4～20mA信號線……第五十九頁，共105頁。現(xiàn)場總線的分散控制模塊第六十頁，共105頁。a)4～20mA傳輸標(biāo)準(zhǔn)控制室現(xiàn)場b)現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線與控制室儀表連線效率對比控制室儀表手持編程器雙向數(shù)字傳輸安全柵調(diào)節(jié)器指示積算配電安全柵4～20mA配電4～20mA4～20mA第六十一頁，共105頁。a)4～20mA標(biāo)準(zhǔn)b)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)儀表內(nèi)部結(jié)構(gòu)對比人機(jī)接口控制室儀表變送器數(shù)字雙向傳輸微處理器通訊接口通訊接口微處理器A/D放大調(diào)理傳感器人機(jī)接口微處理器A/DD/AI/VV/I調(diào)節(jié)器4～20mA4～20mA4～20mA變送器V/ID/A微處理器A/D放大調(diào)理傳感器第六十二頁，共105頁。現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)況2000年1月公布的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158囊括了以下八種總線：FF的H1、FF-HSE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldFIP、ControlNet、SwiftNet，形成多種總線共同競爭的局面。HART技術(shù)作為一種從模擬信號到全數(shù)字信號過渡一種通訊協(xié)議，特別適合于目前企業(yè)的技術(shù)和設(shè)備的改造。未來的技術(shù)發(fā)展趨勢是全數(shù)字化的通訊協(xié)議，但由于國際上各大集團(tuán)對利益分割，無法形成一個統(tǒng)一的數(shù)字現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)。而HART協(xié)議作為目前控制行業(yè)事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在近一段時間將會繼續(xù)大量使用。據(jù)HART基金會統(tǒng)計，2000年有75%的智能儀表仍采用HART協(xié)議。其估計HART技術(shù)在過程工業(yè)仍將繼續(xù)廣泛使用至少15～20年。在國內(nèi)模擬儀表仍大量被使用，HART產(chǎn)品還將具有相當(dāng)長的生命周期，我們將面臨一個巨大的市場。

第六十三頁，共105頁。什么是HART協(xié)議HART協(xié)議（HighwayAddressibleRemoteTransducer）：是Rosemount公司于1986年提出的一項標(biāo)準(zhǔn)。實現(xiàn)4~20mA模擬信號與數(shù)字通訊兼容的標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)場總線的過渡性標(biāo)準(zhǔn)。HART協(xié)議是一個開放性協(xié)議，已成為智能儀表事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：1996年，HART協(xié)議產(chǎn)品產(chǎn)量為60萬臺，F(xiàn)isher-Rosemount公司的25萬臺變送器中HART協(xié)議產(chǎn)品約占76%。專家們預(yù)計，HART在國際上的使用壽命為15~20年，在國內(nèi)由于客觀條件所限，這個時間會更長一些。HART不是真正的現(xiàn)場總線，而是從模擬控制系統(tǒng)向現(xiàn)場總線過渡的一塊踏腳石。第六十四頁，共105頁。HART協(xié)議簡介HART協(xié)議：HighwayAddressableRemoteTransducer（可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)公路），是由Rosemount公司提出的用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設(shè)備間通訊的一個過渡性協(xié)議。HART通訊協(xié)議參照“ISO/OSI”的模型標(biāo)準(zhǔn)，簡化并引用其中的1，2，7三層制定而成，即：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。第六十五頁，共105頁。HART協(xié)議HART協(xié)議層次第六十六頁，共105頁。HART協(xié)議物理層采用了Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控技術(shù)。實現(xiàn)了4~20mA模擬信號與數(shù)字通信的兼容。設(shè)備通信距離1500m。第六十七頁，共105頁。HART數(shù)據(jù)鏈路層通信方式主從式通信由主設(shè)備來控制數(shù)據(jù)幀的傳送最多允許15個從設(shè)備連接到一條多點通訊線上突發(fā)模式從設(shè)備定時重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀半雙工通訊方式尋址范圍：0~15當(dāng)?shù)刂窞?時，處于4~20mADC與數(shù)字通信兼容狀態(tài)。當(dāng)?shù)刂窞?~15時，則處于全數(shù)字通信狀態(tài)。第六十八頁，共105頁。HART數(shù)據(jù)鏈路層通訊幀格式

PREMBCNTDELMSTATUSADDRDATACMDCHKPREM:Preamble序文 BCNT:Bycount字節(jié)數(shù)DELM:Delimiter起始字符 STATUS:變送器通訊狀態(tài)ADDR:Address地址（源地址和目的地址） DATA:通訊數(shù)據(jù)CMD:Command命令號 CHK:Checksum校驗和數(shù)據(jù)幀長度不固定，最長25個字節(jié)。第六十九頁，共105頁。HART協(xié)議應(yīng)用層通用命令(UniversalCommend)：對所有符合HART協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備都適用的命令。包括以下內(nèi)容：讀變送器的量程、單位以及阻尼時間常數(shù)；讀出傳感器串聯(lián)數(shù)目及其限制；寫入輪詢地址；讀出制造廠及產(chǎn)品型號；讀出主變量及單位；讀出電流的輸出及百分比輸出；讀寫8個字符的標(biāo)牌號，16個字符的描述內(nèi)容以及日期等；第七十頁，共105頁。HART協(xié)議應(yīng)用層普通應(yīng)用命令(Common-PracticeCommand)：適用于大部分符合HART協(xié)議的產(chǎn)品，但不同公司的HART產(chǎn)品可能會有少量區(qū)別，如寫主變量單位，微調(diào)DA的零點和增益等。主要包括：寫入阻尼時間常數(shù)；寫入變送器量程；標(biāo)定（設(shè)置零點和量程）；微調(diào)主變量零點；微調(diào)DAC的零點和增益；完成自檢及主機(jī)復(fù)位；第七十一頁，共105頁。HART協(xié)議應(yīng)用層特殊命令(Transmitter-SpecificCommand)：僅適用于某種具體的現(xiàn)場設(shè)備。這是各家公司的產(chǎn)品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微調(diào)傳感頭校正等。主要命令包括：讀出或?qū)懭腴_方小流量截斷值；啟動、停止或清除累積器；選擇主變量（質(zhì)量流量或密度）；讀出或?qū)懭虢M態(tài)信息資料；微調(diào)傳感器的標(biāo)定；第七十二頁，共105頁。設(shè)備描述語言（DDL）DDL（DeviceDescriptionLanguage)是使符合HART協(xié)議的設(shè)備真正做到完全兼容的重要保證。它包括現(xiàn)場設(shè)備的DDL描述和主設(shè)備的DDL解釋器兩部分。任何實現(xiàn)了DDL解釋功能的主設(shè)備就可和任何已經(jīng)提供了DDL描述的現(xiàn)場設(shè)備通訊。新的現(xiàn)場設(shè)備可以無需顧及不同的主設(shè)備而獨立發(fā)布。新的主設(shè)備只要在其上開發(fā)好DDL解釋器就可發(fā)行。第七十三頁，共105頁。基于HART協(xié)議的圓卡硬件設(shè)計4～20mA

LOOP

RTNHARTMODEM電源模塊AD421AD7715CPUGND參考電壓源傳感器模塊VCCVCCZEROSPAN參考電壓源EEPROMAIN+AIN-智能變送模塊VCCA1A2GND第七十四頁，共105頁。基于HART協(xié)議系列變送器的

硬件設(shè)計HART通訊模塊的電路設(shè)計FSK頻移鍵控信號Bell202MODEM帶通濾波器輸出波形整形電路第七十五頁，共105頁。基于HART協(xié)議系列變送器的

硬件設(shè)計低功耗技術(shù)HART數(shù)字通訊的要求智能變送模塊的功耗1.5mA低功耗芯片：A/D、D/A、EEPROM和MODEM總的工作電流限制在1.0mA高效、低功耗的CPU低頻下間斷性工作傳感器模塊的功耗第七十六頁，共105頁。基于HART協(xié)議系列變送器的

硬件設(shè)計抗干擾技術(shù)電磁濾波WDT電源監(jiān)控軟件自診斷第七十七頁，共105頁。基于HART協(xié)議系列變送器的

硬件設(shè)計本質(zhì)安全技術(shù)減少儲能元件雙重冗余齊納管符合本質(zhì)安全iaⅡCT1~6標(biāo)準(zhǔn)第七十八頁，共105頁。基于HART協(xié)議系列變送器的

軟件設(shè)計軟件模塊劃分AD采樣控制模塊AD-DA轉(zhuǎn)換模塊HART鏈路層模塊HART命令層模塊鍵處理模塊第七十九頁，共105頁。AD-DA轉(zhuǎn)換模塊查詢后臺AD定時采樣信號數(shù)字調(diào)理粗大濾波多點平均溫度補(bǔ)償線性補(bǔ)償基于HART協(xié)議系列變送器的

軟件設(shè)計第八十頁，共105頁。基于HART協(xié)議系列變送器的

軟件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換算法一階濾波量程轉(zhuǎn)換DA輸出值轉(zhuǎn)換、限幅DA輸出值微調(diào)DA輸出第八十一頁，共105頁。HART命令層的實現(xiàn)讀出制造廠、產(chǎn)品型號、產(chǎn)品序列號；讀出主變量及單位；讀出電流的輸出及百分比輸出；讀出或?qū)懭?個字符的儀表位號，16個字符的儀表描述以及日期；讀出或?qū)懭?2個字符儀表信息；讀出和寫入變送器的量程、單位以及阻尼時間；讀出或?qū)懭雽懭胼喸兊刂罚蛔x出和寫入變送類型（開方/線性）；標(biāo)定（設(shè)置零點和量程）；完成自檢；完成主設(shè)備復(fù)位；微調(diào)主變量零點；微調(diào)DAC的零點和增益；線性標(biāo)定；溫度標(biāo)定；讀出或?qū)懭腴_方小信號切除值；啟動、停止或清除累積器；選擇主變量（質(zhì)量流量或密度）；讀出或?qū)懭虢M態(tài)信息資料；微調(diào)傳感器的標(biāo)定；基于HART協(xié)議系列變送器的

軟件設(shè)計第八十二頁，共105頁。基于HART協(xié)議的

壓力差壓變送器的設(shè)計工作原理差動電容式敏感元件將差壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓傳感器耗電0.8mA第八十三頁，共105頁。基于HART協(xié)議的

壓力差壓變送器的設(shè)計傳感器部分低功耗設(shè)計模擬儀表12V供電，4mA智能儀表5V供電，0.8mA低功耗的運算放大器溫度補(bǔ)償電路第八十四頁，共105頁。基于HART協(xié)議的

壓力差壓變送器的設(shè)計非線性補(bǔ)償壓力變送器傳感器有很大的非線性傳感器特性曲線相似，一致性較好，可以通過數(shù)學(xué)模型的方式進(jìn)行補(bǔ)償；按照國外同類產(chǎn)品的要求，必須通過0%、60%、100%、-60%、-100%五點進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)诎耸屙摚?05頁。基于HART協(xié)議的

壓力差壓變送器的設(shè)計特征曲線的獲取 測試20個傳感器，獲得一批實驗數(shù)據(jù)；對上述20組數(shù)據(jù)，分別求各組的最佳一致逼近多項式：y(x)=a3x3+a2x2+a1x+a0式中：y為實際壓力，x為傳感器輸出在上述20組多項式中，找出變化范圍最小的一個系數(shù)，然后給定該系數(shù)；試驗中a3的變化范圍：[-0.0373145，-0.0239532]，取平均數(shù)第八十六頁，共105頁。基于HART協(xié)議的

壓力差壓變送器的設(shè)計由特征化給出三個點（量程的0%，60%和100%），即（x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，根據(jù)這三個點決定的近似最佳一致逼近算式，計算誤差(-1)(i-1)R=y(xi)yi，(i=1,2,3)：在|R|取最小值時得出a0,a1,a2值；試驗得出|R|=0.0001第八十七頁，共105頁。基于HART協(xié)議的

壓力差壓變送器的設(shè)計由以上方程組可知，給定a3和R后便可求得a0,a1,a2。近似的最佳一致逼近算法的特點數(shù)學(xué)模型簡單精度較高，可以達(dá)到萬分之二運算速度快第八十八頁，共105頁。基于HART協(xié)議的

壓力差壓變送器的設(shè)計數(shù)字濾波4個數(shù)據(jù)的滑動平均濾波法當(dāng)量程比小于4：1時，滑動平均濾波程序當(dāng)量程比大于4：1時，將4個數(shù)據(jù)的和直接參與運算，相當(dāng)于把采樣值和量程擴(kuò)大4倍，增加了量程轉(zhuǎn)換