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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,

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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。要更高的数据更新速率时