HART协议简介及 HART智能仪表的组成原理.doc

HART协议简介及HART智能仪表的组成原理【摘要】HART协议是由模拟系统向数字系统转变过程中唯一向后兼容的智能仪表解决方案,它在提供现场总线的好处时,保留对现有4～20mA系统的兼容性。对于一个典型的HART智能仪表,其电路组成一般包括电源模块、传感器接口电路、A/D转换、MCU、D/A输出等。关键词:HART协议智能仪表现场总线1前言70年代中期,工业过程控制仪表发展成为统一的两线制4～20mA标准信号,促进了工业过程控制系统的发展。但是从80年代开始,随着微电子学的发展,大量含有微处理器的智能变送器、控制器和集散系统(DCS)得到了普遍应用。现场设备与控制室自动化设备间需要传输的信息量也急剧增加。由于原有的4～20mA模拟电流回路,只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数,已经不能适应这种要求,所以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,来代替现有的4～20mA模拟传输方式。在这种需求的推动下,随着计算机网络技术的不断进步,现场总线技术得到了迅速发展。HART(HIGHWAYADDRESSABLEREMOTETRANSDUCER,可寻址远程传感器通路)是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种工业标准通信协议,它并不是严格意义上的现场总线协议,而只是一种过度性的现场总线标准。2HART协议简介虽然HART协议只是一种由模拟系统向数字系统转变过程中的过渡协议,但是由于HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案,即它可以在提供现场总线的优越性的同时,保留对现有4-20mA系统的兼容性。而且与模拟仪表相比,HART智能仪表在成本不增加太大的前提下,具有易于调试维护和更高的精度的优点,因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力,在目前智能仪表市场上占有很大的份额。HART协议使用了ISO/OSI模型的第1、2、7层,即物理层、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。下面将对这三层分别进行简单的介绍。HART协议在物理层使用了Bell202标准的频移键控(FSK)信号,在4～20mA信号过程测量模拟信号上叠加了低电平的数字信号。数字FSK信号相位连续,平均值为0,不影响4～20mA模拟信号,从而使模拟信号和数字双向通信能同时进行,而不相互干扰。在HART协议中物理层中,规定通信传输速率为1200波特,逻辑“1”由一个周期的1200Hz频率代表,逻辑“0”由近似两个周期的2200Hz代表,见图1和图2。图1HART使用FSK技术对数字信息编码图2HART数字通讯信号叠加在4～20mA模拟信号上HART的数据链路层规定了通信数据的结构、通信模式、用户接口原语等。比如规定了在HART通信中,每个字符由11位组成,包括1bit起始位、8bit数据位、1bit奇偶校验位、1bit停止位。HART数据链路层规定了HART通信基于主/从(Master/Slave)协议原理,这意味着只有在主站呼叫时,现场设备才传送信息。在一个HART总线上,可以同时存在两个主设备,第2主设备通常为手持器,如图3所示。在这种模式下,由于每次数据的传送都必须由主设备发起,所以数据更新速率比较低。当需要更高的数据更新速率时,可以使从设备工作在突发(Burst)模式。当从设备进入突发模式后,将不断的发送指定的HART响应信息,直到主站发送命令使其退出突发模式。图3HART协议允许总线上存在两个主设备HART协议也支持在一对双绞线上挂接多台HART协议从设备。将HART协议智能仪表的轮询地址设为非0,将使其工作在多点模式。在多点模式下,4～20mA模拟信号作废,流经从设备的回路电流固定在4mA。由于每个HART协议从设备具有唯一的长设备地址，所以主设备可以对每一个从设备进行操作,此时通讯方式只能是主/从模式。HART协议在应用层规定了强大的命令集。HART通讯基于命令,也就是主站发送命令,从站作出相应的响应。HART命令可以分为通用命令、普通常用命令、设备特殊命令三类。通用命令对于所有符合HART协议的智能设备都适用,目的是确保在大量并不断增长的来自不同供应商的符合HART协议的设备间可互操作,并在日常工厂操作中访问数据,即读取过程测量值,上限、下限范围,和其他一些信息,诸如生产厂家、型号、位号及描述等。普通常用命令访问那些大多数但并非全部设备所具有的功能。这些命令可选,但如果实现,必须被特殊说明,这些命令用于常用的操作如写阻尼时间常数等。设备特殊命令是针对各种具体设备的特殊性而设立的,不要求设备之间统一,大多数用于设备参数组态、标校等。在每一个HART命令响应中包含设备状态信息,指出设备失效或其他问题,例如模拟输出饱和、变量超限或通讯错误等。一些HART协议兼容设备可以连续检查设备状态位,在发现问题时,发出警报或停车。为