第十讲-HART-通讯协议课件.ppt

1、1 1HART HART 通讯协议通讯协议第九章第九章2 2l9.19.1 HART HART 协议简介协议简介l9.29.2 物理层技术规范物理层技术规范l9.39.3 数据链路层技术规范数据链路层技术规范l9.49.4 HART HART 命令简介命令简介l9.59.5 HART HART 应用应用3 3l9.9.1 1 HART HART 协议简介协议简介l9.29.2 物理层技术规范物理层技术规范l9.39.3 数据链路层技术规范数据链路层技术规范l9.49.4 HART HART 命令简介命令简介l9.59.5 HART HART 应用应用4 4lHARTHART协议：协议：High

2、way Addressable Remote Highway Addressable Remote TransducerTransducer（可寻址远程传感器数据公路），是（可寻址远程传感器数据公路），是由由RosemountRosemount公司于公司于19861986提出的用于现场智能仪表提出的用于现场智能仪表和控制室设备间通讯的一个过渡性协议。和控制室设备间通讯的一个过渡性协议。l实现实现420mA420mA模拟信号与数字通讯兼容的标准，是模拟信号与数字通讯兼容的标准，是现场总线的过渡性标准。现场总线的过渡性标准。lHARTHART协议是一个开放性协议，已成为智能仪表事协议是一个开放性协

3、议，已成为智能仪表事实上的工业标准：实上的工业标准：l19961996年，年，HARTHART协议产品产量为协议产品产量为6060万台，万台，Fisher-Fisher-RosemountRosemount公司的公司的2525万台变送器中万台变送器中HARTHART协议产品约协议产品约占占76%76%。5 51 1、420mA420mA模拟信号模拟信号+数字控制信号（数字控制信号（FSKFSK技术）技术）2 2、支持双绞线全数字通信，可构成、支持双绞线全数字通信，可构成1515个站网络个站网络3 3、支持、支持OSIOSI开放体系结构，开放体系结构，1 1、2 2、7 7、层、层6 6OSI

4、LayerFunctionHART7ApplicationProvides the User with NetworkCapable ApplicationsProvides the User with NetworkCapable Applications6presentationConverts Application Data BetweenNetwork and Local Machine Formats5SessionConnection Management Servicesfor Applications4TransportProvides Network Independent

5、,Transparent Message Transfer3NetworkEnd to End Routing of Packets.Resolving Network Addresses2Data LinkEstablishes Data Packet Structure.Framing,Error Detection,Bus ArbitrationA Binary,Byte Oriented,Token Passing Master/slave Protocol1PhysicalMechanical/Electrical ConnectionTransmits Raw Bit Stream

6、Simultaneous Analog&Digital Signaling.Normal 4-20mA Copper Wiring通通 信信 模模 型型HART命令数据链路层协议规范Bell 2027 7l基于基于Bell 202 Bell 202 通信标准的通信标准的FSK FSK 技术，基本内容：技术，基本内容：波特率波特率 1200bps1200bps 速度较慢速度较慢逻辑逻辑1 1200HZ1 1200HZ逻辑逻辑0 2400HZ0 2400HZ载波传输载波传输8 8通信方式：通信方式：1 1）主从式通信）主从式通信 由主设备来控制数据帧的传送由主设备来控制数据帧的传送 最多允许最多允

7、许1515个从设备连接到一条多点个从设备连接到一条多点通讯线上通讯线上 2 2）突发模式）突发模式 从设备定时重复发送数据帧从设备定时重复发送数据帧 3 3）半双工通讯方式）半双工通讯方式寻址范围：寻址范围：0 150 15 当地址为当地址为0 0时，处于时，处于420mADC420mADC与数字通信兼与数字通信兼容状态。容状态。当地址为当地址为115115时，则处于全数字通信状态。时，则处于全数字通信状态。9 91bit1bit起始位起始位 +8bit+8bit数据数据 +1bit+1bit奇偶校验位奇偶校验位 +1bit+1bit停止位停止位最多最多 25 字节字节规定通信数据的结构，每个

8、字符由规定通信数据的结构，每个字符由1111位组成：位组成：1010规定规定 HART HART 命令：命令：l第一类通用命令第一类通用命令l第二类普通应用命令第二类普通应用命令l第三类专用命令第三类专用命令1111通用命令：通用命令：对所有符合对所有符合HART协议的现场设备都适用协议的现场设备都适用的命令。包括以下内容：的命令。包括以下内容：l读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数；读变送器的量程、单位以及阻尼时间常数；l读出传感器串联数目及其限制；读出传感器串联数目及其限制；l写入轮询地址；写入轮询地址；l读出制造厂及产品型号；读出制造厂及产品型号；l读出主变量及单位；读出主变量及单位；l

9、读出电流的输出及百分比输出；读出电流的输出及百分比输出；l读写读写8个字符的标牌号，个字符的标牌号，16个字符的描述个字符的描述内容以及日期等；内容以及日期等；1212普通应用命令：普通应用命令：适用于大部分符合适用于大部分符合HART协议的产品，协议的产品，但不同公司的但不同公司的HART产品可能会有少量产品可能会有少量区别，如写主变量单位，微调区别，如写主变量单位，微调DA的零的零点和增益等：点和增益等：l写入阻尼时间常数；写入阻尼时间常数；l写入变送器量程；写入变送器量程；l标定（设置零点和量程）；标定（设置零点和量程）；l微调主变量零点；微调主变量零点；l微调微调DAC的零点和增益；的

10、零点和增益；l完成自检及主机复位；完成自检及主机复位；1313特殊命令：特殊命令：仅适用于某种具体的现场设备。这是仅适用于某种具体的现场设备。这是各家公司的产品自己所特有的命令，各家公司的产品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微调传感头不互相兼容，如特征化，微调传感头校正等。校正等。：l读出或写入开方小流量截断值；读出或写入开方小流量截断值；l启动、停止或清除累积器；启动、停止或清除累积器；l选择主变量（质量流量或密度）；选择主变量（质量流量或密度）；l读出或写入组态信息资料；读出或写入组态信息资料；l微调传感器的标定；微调传感器的标定；1414HART HART 通讯模式通讯模式第一种

11、第一种“问答式问答式”：2 2 次次/秒，秒，适用点对点、多站连接适用点对点、多站连接第二种第二种“成组模式成组模式”：3.7 3.7 次次/秒，秒，只适用点对点连接只适用点对点连接15151 1、模拟信号带有过程控制信息，数字信号允许双向通信。、模拟信号带有过程控制信息，数字信号允许双向通信。2 2、(智能化现场仪表智能化现场仪表+模拟仪表、记录仪及控制器模拟仪表、记录仪及控制器)混合混合 系统系统3 3、支持多主站数字通信，节省导线，减少安装费、支持多主站数字通信，节省导线，减少安装费4 4、通过租用电话线连接仪表，使远方的现场仪表使用相、通过租用电话线连接仪表，使远方的现场仪表使用相 对

12、便宜的接口设备。对便宜的接口设备。5 5、允许、允许“问答式问答式”及及“成组模式成组模式”通信方式。通信方式。6 6、报文结构灵活、规范、一次通信可携带、报文结构灵活、规范、一次通信可携带4 4个过程变量个过程变量1616l9.19.1 HART HART 协议简介协议简介l9.9.2 2 物理层技术规范物理层技术规范l9.39.3 数据链路层技术规范数据链路层技术规范l9.49.4 HART HART 命令简介命令简介l9.59.5 HART HART 应用应用17179.29.2 物理层技术规范物理层技术规范物理层规定：物理层规定：信号的传输方式、信号电压、设备阻抗和传输介质等。信号的传

13、输方式、信号电压、设备阻抗和传输介质等。通常以双绞线为传输介质。通常以双绞线为传输介质。HARTHART数据传输是数据传输是420mA420mA数据传输的扩展，它在低频的数据传输的扩展，它在低频的420mA420mA电流上叠加了一高频电流，两种信号共享硬件，电流上叠加了一高频电流，两种信号共享硬件，但在频率上是分开的。但在频率上是分开的。1818应用层应用层微处理器微处理器 链路层链路层 协议协议 数据信息数据信息 错误控制错误控制异步收发器（异步收发器（UART）调制解调器（调制解调器（MODEM）物理层物理层 信号电压信号电压 频率频率 电缆电缆传输介质传输介质1919第一种是最基本的现场

14、设备第一种是最基本的现场设备，包括从设备和成，包括从设备和成组模式设备；现场仪表组模式设备；现场仪表第二种设备是基本主设备第二种设备是基本主设备，它是与现场设备进，它是与现场设备进行通信的主要设备；行通信的主要设备；第三类设备是副主设备第三类设备是副主设备，它是链路的临时使用，它是链路的临时使用者。者。2020物理层规范提供了建立和使用物理层规范提供了建立和使用HARTHART网络和设备网络和设备的基本信息，这些信息用来：的基本信息，这些信息用来：(1)(1)提供提供HARTHART设备间的互操作性；设备间的互操作性；(2)(2)在各种条件下提供可接受的通信；在各种条件下提供可接受的通信；(3

15、)(3)减小与减小与420mA420mA信号之间的窜扰。信号之间的窜扰。2121信号发生单元：信号发生单元：现场仪表、基本主设备、副现场仪表、基本主设备、副主设备主设备非信号发生单元：非信号发生单元：模拟控制器、电缆、网络模拟控制器、电缆、网络电源、本质安全隔离栅、接线盒、接线板、电源、本质安全隔离栅、接线盒、接线板、连接件、混合硬件（通信器件）连接件、混合硬件（通信器件）网络硬件网络硬件2222l 根据根据功率要求功率要求及及设备是向网络提供还是从网设备是向网络提供还是从网络吸收一偏置电流或操作电流络吸收一偏置电流或操作电流，现场设备可分，现场设备可分为四类：为四类：A A、B B、C C、

16、D D类型类型描述描述ABCD从网络吸收直流，并从网络吸收操作功率从网络吸收直流，但不从网络吸收操作功率向网络提供直流，不从网络吸收操作功率不提供直流，也不吸收直流和操作功率现场设备的分类现场设备的分类2323参数参数点对点网络点对点网络多点网络多点网络基本主设备数目基本主设备数目0或或11副主设备数目副主设备数目0或或10或或1现场仪表数目现场仪表数目（可能受到功率、单元电（可能受到功率、单元电容或网络特性阻抗的限制）容或网络特性阻抗的限制）1115单元极性单元极性有极性或无极性有极性或无极性有极性或无极性有极性或无极性（可混合用）（可混合用）现场仪表类型现场仪表类型ABC或或DA，B和和D

17、可混用可混用C和和D可混用可混用允许现场仪表信号类型允许现场仪表信号类型数字型或数字型或数字数字+模拟型模拟型只有数字型只有数字型信号发生单位的组合信号发生单位的组合24241 1、信号发生单元信号发生单元可接在网络的任何位置。可接在网络的任何位置。2 2、现场仪表和副主设备均为并联。、现场仪表和副主设备均为并联。3 3、每个、每个信号发生单元信号发生单元只能有一条途径与其他单元相只能有一条途径与其他单元相连连(网络中不能有环路）网络中不能有环路）HART拓朴结构拓朴结构25254 4、网络至少需要一个主设备或模拟控制器和一个、网络至少需要一个主设备或模拟控制器和一个现场仪表。现场仪表。5 5

18、、本质安全栅可被置于主设备或模拟控制器与网、本质安全栅可被置于主设备或模拟控制器与网络之间，副主设备可在安全栅的任何一侧。络之间，副主设备可在安全栅的任何一侧。6 6、网络的一个或多个部分的组合可被组合在一个、网络的一个或多个部分的组合可被组合在一个设备中。设备中。26267 7、连接点可放在网络的任何位置。连接点仅仅是连接点可放在网络的任何位置。连接点仅仅是一个电气连接，混合设备也可置于网络的任何位置。一个电气连接，混合设备也可置于网络的任何位置。8 8、在网络工作时，现场仪表可以被移走或更换，副、在网络工作时，现场仪表可以被移走或更换，副主设备也可被连到网络上。主设备也可被连到网络上。9

19、9、在网络工作时必须避免通信电缆间两根导线的短、在网络工作时必须避免通信电缆间两根导线的短路。路。27271010、不同的、不同的HARTHART网络只能在其基本主设备或模拟控网络只能在其基本主设备或模拟控制器附近有一处公共连接。制器附近有一处公共连接。1111、在多点网络中，当主设备或模拟控制器与同一、在多点网络中，当主设备或模拟控制器与同一根电缆中的多对线相连时，主设备或模拟控制器通根电缆中的多对线相连时，主设备或模拟控制器通常需置于电缆的一端，主设备与多对电缆之间不能常需置于电缆的一端，主设备与多对电缆之间不能接入单对电缆。接入单对电缆。l1212、分离的分离的HARTHART网络可共用

20、同一多对电缆。网络可共用同一多对电缆。2828l电缆应单对屏蔽或多对一起屏蔽。电缆应单对屏蔽或多对一起屏蔽。l电缆导线的最小直径尺寸如下：电缆导线的最小直径尺寸如下：总长小于总长小于50005000英尺：英尺：#24AWG#24AWG（芯线直径（芯线直径0.51mm)0.51mm)总长大于总长大于50005000英尺英尺(单对单对)：#24AWG(#24AWG(芯线直径芯线直径0.81mm)0.81mm)采用单对电缆时，网络中电缆的最大长度采用单对电缆时，网络中电缆的最大长度L L应小于应小于1000010000英尺英尺(3000m)(3000m)。多对电缆的最大长度应限制多对电缆的最大长度应

21、限制50005000英尺英尺(1500m)(1500m)以内。以内。若多对电缆与单对电缆一起组网，则网络中电缆的最若多对电缆与单对电缆一起组网，则网络中电缆的最大长度不超过大长度不超过50005000英尺英尺(1500m)(1500m)。2929l现场仪表对电源的需求取决于现场仪表的类型。现场仪表对电源的需求取决于现场仪表的类型。l需要从网络以外的地方获取能量的需要从网络以外的地方获取能量的B B，C C，D D型现场仪表，型现场仪表，可以通过多对电缆中的另外某对电缆供电。可以通过多对电缆中的另外某对电缆供电。现场仪表类型现场仪表类型网络供电网络供电A从网络吸收直流，并从网络吸收操作功率B从网

22、络吸收直流，但不从网络吸收操作功率C向网络提供直流，不从网络吸收操作功率D不提供直流，也不吸收直流和操作功率需要需要不可用不要求，但可用现场仪表对电源需求现场仪表对电源需求3030有供给和回流栅有供给和回流栅只有供给栅只有供给栅网网络络电电源源连连接接3131屏蔽与接地屏蔽与接地一点接地一点接地开路状态开路状态有隔离栅的屏蔽与接地有隔离栅的屏蔽与接地没有隔离栅的屏蔽与接地没有隔离栅的屏蔽与接地3232HARTHART信号由双绞线的两根导线之间的电压构成，它由主设备产信号由双绞线的两根导线之间的电压构成，它由主设备产生。生。HARTHART数据帧以异步方式传送串行字节序列。数据帧以异步方式传送串

23、行字节序列。HARTHART数据采用二值相位连续式频移键控信号以每秒数据采用二值相位连续式频移键控信号以每秒12001200比特的比特的速率传送。一个字节有速率传送。一个字节有1111位。位。HART数字数字信号信号帧帧3333l9.19.1 HART HART 协议简介协议简介l9.29.2 物理层技术规范物理层技术规范l9.39.3 数据链路层技术规范数据链路层技术规范l9.49.4 HART HART 命令简介命令简介l9.59.5 HART HART 应用应用3434l协议可以对通信中因噪声引起的错误进行修正。协议可以对通信中因噪声引起的错误进行修正。l当不使用当不使用4 420mA2

24、0mA信号时，一个通信链路可连接多达信号时，一个通信链路可连接多达1515个短地址从设备。个短地址从设备。l协议支持从设备在通信通道上进行周期性广播的成组协议支持从设备在通信通道上进行周期性广播的成组模式通信。模式通信。l协议可对基本主设备和副主设备对现场设备的访问进协议可对基本主设备和副主设备对现场设备的访问进行仲裁。行仲裁。l链路上设备间的信息传输是通过一定的格式实现的。链路上设备间的信息传输是通过一定的格式实现的。l通信协议能识别三种不同的设备类型。从设备、成组通信协议能识别三种不同的设备类型。从设备、成组模式设备、主设备。模式设备、主设备。3535帧类型编码帧类型编码001成组模式帧成

25、组模式帧010 STX帧帧110 ACK帧帧其余均保留其余均保留3636帧类型编码帧类型编码001成组模式帧成组模式帧010 STX帧帧110 ACK帧帧其余均保留其余均保留3737注：成组模式设备注：成组模式设备 只产生长帧只产生长帧响应码场的第一字节的第响应码场的第一字节的第7位总是被清零，因为此模式没有报告通位总是被清零，因为此模式没有报告通信错误的消息。第二个字节含有数据链路与设备状态。信错误的消息。第二个字节含有数据链路与设备状态。帧类型编码帧类型编码001成组模式帧成组模式帧010 STX帧帧110 ACK帧帧其余均保留其余均保留3838l9.19.1 HART HART 协议简介

26、协议简介l9.29.2 物理层技术规范物理层技术规范l9.39.3 数据链路层技术规范数据链路层技术规范l9.49.4 HART HART 命令简介命令简介l9.59.5 HART HART 应用应用3939l HART HART协议的应用层为协议的应用层为HARTHART命令，命令，HARTHART设备通过这些命令辨别设备通过这些命令辨别对方信息的含义。对方信息的含义。l通用命令、普通应用命令、专用命令三种。通用命令、普通应用命令、专用命令三种。l HART HART 协议的各种命令统一由协议的各种命令统一由HART HART 数据帧中的命令字节进行数据帧中的命令字节进行二进制编码，也就是说

27、，二进制编码，也就是说，HARTHART协议最多可提供协议最多可提供 256 256 种不同的种不同的命令。命令。2 28 8 命令场的命令场的8 8位字节。位字节。4040l命令分类及其描述：命令分类及其描述：l类别类别 描述描述l1 1 用于获取基本变量的只读命令用于获取基本变量的只读命令l1A 1A 用于获取基本变量的量程百分比及电流的只读用于获取基本变量的量程百分比及电流的只读l 命令命令l2 2 从所有设备中获取通用信息的只读命令从所有设备中获取通用信息的只读命令l3 3 用于获取各个设备的专有信息的只读命令，可用于获取各个设备的专有信息的只读命令，可l 访问设备中的所有信息访问设备

28、中的所有信息l4 4 向每个设备发送一般操作所需信息的只写命令向每个设备发送一般操作所需信息的只写命令l5 5 向每个设备发送初始设置所需信息的只写命令向每个设备发送初始设置所需信息的只写命令l 其他不属于以上类别的读写功能，这些命令将其他不属于以上类别的读写功能，这些命令将 l 不能被另一厂家的主机处理不能被另一厂家的主机处理4141l一致性分类命令仅包括通用命令和普通应用命令。一致性分类命令仅包括通用命令和普通应用命令。l类别类别 1 (1 (通用命令）通用命令）l 0 0 读设备识别码读设备识别码l 1 1 读基本变量读基本变量l类别类别 1A (1A (通用命令）通用命令）l 0 0

29、读识别码读识别码l 1 1 读设备基本变量量程百分比及电流读设备基本变量量程百分比及电流l类别类别 2 (2 (通用命令通用命令)l 4 (100)4 (100)2 2 保留位保留位l 11(1011)11(1011)2 2 读与位号读与位号(Tag(Tag）有关的标识符）有关的标识符l 12(1100)12(1100)2 2 读与设备有关的信息读与设备有关的信息4242l变送器命令有通用、普通应用、变送器专用三类变送器命令有通用、普通应用、变送器专用三类l变送器命令分配如下：变送器命令分配如下：命令编码命令编码 命令种类命令种类l 0 0 通用命令通用命令l 30 30 通用命令通用命令l

30、31 31 保留保留l 32 32 普通应用命令普通应用命令l 127 127 保留保留l 128 128 变送器专用命令变送器专用命令l 253 253 变送器专用命令变送器专用命令l 254 254 保留保留l 255 255 保留保留4343l响应码的第一个字节的第响应码的第一个字节的第7 7位如果置位，则剩余的位包位如果置位，则剩余的位包含了有关通信错误的信息；第一个字节的第含了有关通信错误的信息；第一个字节的第7 7位如果复位如果复位，则剩余的位用来表示命令响应信息。位，则剩余的位用来表示命令响应信息。1023456710234567byte1byte24444lBit 7=1Bit

31、 7=1时，其余位表示接收时的错误信息：时，其余位表示接收时的错误信息：lBit 6 Bit 6 垂直奇偶校验错误垂直奇偶校验错误lBit 5 Bit 5 覆盖错误覆盖错误lBit 4 Bit 4 帧错误帧错误lBit 3 Bit 3 纵向奇偶校验错误纵向奇偶校验错误lBit 2 Bit 2 保留，应清零。保留，应清零。lBit 1 Bit 1 缓冲区溢出缓冲区溢出lBit 0 Bit 0 未定义：至今尚未定义未定义：至今尚未定义lBit 7=0Bit 7=0时，则该字节包含有关命令执行情况的信息。时，则该字节包含有关命令执行情况的信息。其余其余bit6-bit0 bit6-bit0 编码，范

32、围无符号整数编码，范围无符号整数0 0127127，如：，如：l响应码响应码#32#32 忙忙 （0010 00000010 0000）2 2l响应码响应码#64#64 命令不支持命令不支持4545l该字节各位的意义如下：该字节各位的意义如下：lBit 7 Bit 7 现场设备工作不正常现场设备工作不正常lBit 6 Bit 6 组态变化：写或设置命令被执行组态变化：写或设置命令被执行lBit 5 Bit 5 冷启动：由于设置信息的重安装冷启动：由于设置信息的重安装lBit 4 Bit 4 有更多的状态信息可用有更多的状态信息可用lBit 3 Bit 3 基本变量的模拟输出被固定基本变量的模拟

33、输出被固定lBit 2 Bit 2 基本变量的模拟输出己饱和基本变量的模拟输出己饱和lBit 1 Bit 1 非基本变量超限非基本变量超限lBit 0 Bit 0 基本变量超限基本变量超限1023456710234567byte1byte2l响应码的第二个字节为与设备的操作状态有关的信息，如在第响应码的第二个字节为与设备的操作状态有关的信息，如在第一个字节中报告有错误，则该字节无意义。一个字节中报告有错误，则该字节无意义。4646l9.19.1 HART HART 协议简介协议简介l9.29.2 物理层技术规范物理层技术规范l9.39.3 数据链路层技术规范数据链路层技术规范l9.49.4 H

34、ART HART 命令简介命令简介l9.59.5 HART HART 应用应用4747lHARTHART通信的应用通常有三种方式：通信的应用通常有三种方式：l1 1、最普通的是用手持通信终端、最普通的是用手持通信终端(HHT)(HHT)与现场智能仪与现场智能仪表通信。表通信。l2 2、带、带HARTHART通信功能的控制室仪表，可与多台通信功能的控制室仪表，可与多台HARTHART仪表进行通信并组态。仪表进行通信并组态。l3 3、第三种方式是与、第三种方式是与P P机或机或D DS S操作站进行通信。操作站进行通信。48481 1、由于、由于HARTHART仪表与原仪表与原4-20mA4-20

35、mA标准的仪表具有兼容标准的仪表具有兼容性，性，HARTHART仪表的开发与应用发展迅速，特别是仪表的开发与应用发展迅速，特别是在设备改造中受到欢迎。在设备改造中受到欢迎。2 2、HARTHART协议与协议与FFFF等协议相比，较为简单，而且由等协议相比，较为简单，而且由于于速度慢及低功耗速度慢及低功耗的要求，数据链路层及应用的要求，数据链路层及应用层一般均由软件实现。层一般均由软件实现。物理层应用原有的物理层应用原有的BellBell202202调制解调器。调制解调器。3 3、为解决不同厂家设备的互换性及互操作性问题，、为解决不同厂家设备的互换性及互操作性问题，HARTHART采用了采用了设备描述语言（设备描述语言（DDL)DDL)。4949The end!