HART通信协议：智能化测控通信提升技能

1.简介

在从DC 4～20mA模拟信号制标准向现场总线标准过渡的时期内，各大仪表生产企业也纷纷推出一些自己制定的标准，它们都有各自的用户群。其中可寻址远程传感器高速公路（Highway Addressable Remote Transducer，HART）协议具有较大的影响，它由美国Rose-mount公司于1985年提出，目前已有近百家大仪表生产公司参加这一通信协议。

HART通信协议是工业界广泛认可的标准，在4～20mA智能设备的基础上增加了数字通信能力。该技术的普及使用非常迅速，目前，事实上所有主要仪表供应商都提供HART协议产品。HART协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在一条电缆上可以同时传递4～20mA模拟信号和数字信号。HART在提供现场总线的好处时，保留对现有4～20mA系统的兼容性。

HART通信协议扩展了4～20mA标准，在智能测量和控制仪表的基础上提高了通信能力。HART协议智能仪表在不干扰4～20mA模拟信号的同时允许双向数字通信。4～20mA模拟和HART数字通信信号能在一条线对上同时传递。过程变量和操作变量信息由4～20mA传送（如果需要），而另外的测量、过程参数、设备组态、校准及诊断信息在同一线对、同一时刻通过HART协议传送。

频移键控（Frequency Shift Keying，FSK），或者称为两态调频。它的基本原理是把数字信号“1”和“0”调制成不同频率（易于鉴别）的模拟信号，其原理如图1-4-1所示。

图1-4-1 频移键控FSK调制原理图

两个不同频率的模拟信号，分别由电子开关控制，在运算放大器的输入端相加，而电子开关由要传输的数字信号（即数据DATA）控制。当信号为“0”时，控制电子开关1导通，送出一串频率较低（1200Hz）的模拟信号；当信号为“1”时，控制电子开关2导通，送出一串频率较高（2200Hz）的模拟信号，于是在运算放大器的输出端，就得到了调制后的信号。将数字信号变成模拟信号的过程称为调制或将基带信号调制到载波上。

将模拟信号还原成数字信号的过程或把频带信号还原成基带信号称为解调，其原理如图1-4-2所示。

图1-4-2 解调器原理图

HART通信协议采用FSK原理，它基于Bell 202通信标准，4～20mA基础上对数字信息进行编码，如图1-4-3和图1-4-4所示。

数字信号用两个频率表示：1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”。由于在通信时频率信号的平均分量为零，不会影响模拟信号的传输，因此可将这两个频率的正弦波叠加在DC 4～20mA模拟信号上同时传输。这样不仅可以利用DC 4～20mA模拟信号，同时可以利用同一电缆用数字信号实现双向多信息传输，从而具有诸如修改量程、阻尼时间、PID参数等功能，可提高系统的运行质量和管理效率。

在4～20mA上叠加幅度为±0.5mA的正弦波，因此模拟和数字信号可同时传递，数字FSK信号相位连续，不会影响4～20mA信号。逻辑“1”由1200Hz频率代表，逻辑“0”由2200Hz代表。由于叠加的正弦信号平均值为0，所以对模拟信号没有影响。

图1-4-3 HART编码

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图1-4-4 叠加在4～20mA模拟信号上的HART数字信号

HART通信在低频的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信，数据传输率为1.2Mbit/s。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模拟信号传送，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通信协议访问。

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通信协议规定了一系列命令，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通信协议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通信能利用总线供电，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。

2.HART通信协议的特点

HART通信协议是为工业过程测量和控制应用而设计的。将其称为混合协议是因为它将模拟量和数字量通信相融合。它既支持4～20mA模拟信号的单变量通信，也可以将附加信息以数字信号的方式进行通信。数字信息以低电平调制方式加载在标准的4～20mA电流电路上。由于采用标准的可以从模拟信号中去除的过滤技术，数字信号并不会影响模拟信号的读数。能够传送叠加的数字信息是实现HART重要功能的基础。

HART通信协议是工厂自动化领域中采用的一种通信协议。虽然每种协议都有其各自的优点，但就综合性能而言，HART通信协议是最佳的解决方案：它可获取增值设备和数字方式的诊断信息，同时还可以与现有的4～20mA自动化结构体系相兼容。

3.HART通信的优势

（1）双向通信

采用模拟量信号只能单传送信息，要么是从设备到主机（输入），要么是从主机到设备（输出）。而采用HART数字通信信号可以双向传送数字信息。这突破了以往传统仪表只能从主机接收控制信号的方式——比如阀门控制，也可以向主机传递阀门中的信息状态。同样，以往只能把过程变量发送给主机的变送器现在也可以接收诸如组态设置之类的信息。

（2）多种信息

传统的模拟量和离散量设备只能以单过程变量方式通信，因而很难找到一种简便的方式判定发送的信息是否有效。采用HART，用户不但可以获取过程变量，还可以获得其他类型的信息。每个HART设备中包括35～40个标准信息项。比如：①设备状态与诊断报警；②过程变量与单位；③电路电流与百分比范围；④生产商与设备标签，其他的信息还包括：主机以数字方式查询HART设备，并告知用户设备的设置是否正确，运行是否正常。该功能可使用户免除大多数的日常检验工作，并有助于用户在故障导致重大问题之前发现过程故障。

（3）多变量仪表

数字通信模式下，一对电缆可以处理多个变量。例如，一个变送器可以处理多个传感器的输入。对于不能使用HART数字量信息的主系统，来自多变量仪表的信息通常由三回路（Tri-loop）先进行处理。Tri-loop将数字信息转换成多组4～20mA信号，再由单独的接线传送给主机。

（4）互操作性

互操作性指的是无论哪个供应商的HART兼容产品和主系统都可以协同工作。为与HART设备实现兼容，一些主系统采用统一表示的指令。更进一步的系统则采用设备描述以理解所有的HART信息。即使不能处理来自HART设备数字化信息的系统，也可以通过4～20mA模拟量信号实现控制的互操作性。