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Hart总线协议简介

随着自动化技术的不断发展，现场总线技术的逐渐成熟已成为21世纪自动化领域中的
主导技术；随着仪表智能化和通信数字化技术的发展，现场总线已经发展成为集计算机网
络、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统FCS（Field-busControlSystem），
FCS系统改变了传统的信息交换方式、信号制式和系统结构，改变了传统的自动化功能、
概念和结构、形式，也改变了系统的设计和调试方法。根据国际电工委员会IEC的标准和
现场总线基金会的定义，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
分支结构的通信网络。
现场总线控制系统FCS与传统控制系统相比，他使用了数字化的信号传输技术，采用
了分散化的系统结构，使系统具有方便的互操作性、开放的互联网络、多种信号传输介质
和拓扑结构等优点，但是其相应地应用要求也很高。FCS要求现场仪表，包括变送器和执
行器，是传输全数字化信号的智能装置。基于420mA的模拟设备还广泛应用于工业控制
各个领域的今天，要快速实现全数字化是不现实的。为满足从模拟到全数字的过渡，我们
需要一种既支持新型智能仪表的数字信号又兼容传统的模拟信号的过渡期协议，1986年
Rosemount公司提出的HART协议就是最具代表性和普遍性的一种。
一、HART总线技术特点

HART（HighwayAddressableRemoteTransducer）协议是可寻址远程变送器数据通道
协议的简称，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之
间双向通信的协议规程。他是在4～20mA的模拟信号上叠加FSK（FrequencyShiftKeying，
频移键控）数字信号，可以兼容模拟和数字两种信号。1993年成立了HART通信基金会
HCF（HARTCommunicationFoundation），随着越来越多公司的加盟，基于HART协议
产品的增多，他的重要性得到了普遍的认同。
按照现场总线的定义HART通信协议，并不完全符合现场总线技术要求。可以说它并
不是真正意义上的现场总线技术，只是模拟系统和数字总线之间的一种过渡措施。但是
HART协议毕竟向现场总线迈进了一步。符合HART协议的现场仪表，在不中断过程信
号传输的情况下，在同一模拟回路上同时进行数字通信，使用户获得了诊断和维护的信息
以及更多的过程数据。经过近20年的发展，HART协议技术在国外已经十分成熟，并已成
为全球智能仪表的工业标准。HART协议构成的现场总线系统HF与传统的DCS和真正意义
的现场总线控制系统FCS的比较见表1。
表1.几种控制系统特点比较
控制系统DCSHFFCS
信号类型模拟模拟+数字全数字
信号数量一线一信号一线多信号一线多信号
系统结构3层主从结构3层主从结构2层分散型
互操作性差较好好
投资风险小较小较大
适用场合一般控制系统现场设备在线调试、需高度分散、先进控
管理或控制系统改进制、工厂综合自动化
下面我们来具体介绍一下HART协议的技术规范。
二、HART通信技术协议

1．HART协议的分层

HART现场总线使用国际标准化组织ISO规定的开放式系统互联OSI七层模型中的第1
层、第2层和第7层，即物理层、数据链路层和应用层。
（1）物理层：HART协议的物理层规定了信号的传输方法、传输介质，HART支持模
拟信号和数字信号在同一线路上传输。HART协议的物理层使用了Bell202标准的频移键控
（FSK）信号，即在4～20mA模拟信号上叠加了±0.5mA的数字信号，由于数字FSK
信号相位连续，平均值为零，所以不影响4～20mA模拟传输，从而使模拟信号和数字
通信同时进行，而不互相干扰。在HART协议物理层中规定，通信传输速率为1200波特，
数字信号用两个频率表示：1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”，如图1所示。
图1.HART协议通信的FSK信号
图2为HART协议的数字和模拟信号叠加后同时传输的示意图。通信介质的选择视传输距离长
短而定，采用双绞线传输时最大传输距离可达1500m，线路总阻抗应在230～1100Ω之间。
图2.HART数字通信信号叠加在电流环上
（2）数据链路层规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能。HART
协议的数据链路层规定了通信帧格式、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1位起始位、8位数据位、1位奇偶校验位、1位
停止位。其数据结构长度不固定，最长25B，寻址范围0～15，当地址为0时，则处于4～20mA
的DC与数字通信兼容状态；当地址为1～15时，则处于全数字通信状态。通信模式为问
答式或突发式。
HART通信基于主/从（M