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通过模拟信号进行数据通信是一个常见的过程。在自动化中，数据通过几种不同的过程仪表与控制器进行通讯。质量很重要，因为控制器和智能仪器必须进行长距离通信。 

另外，设备和控制器之间的数据通信必须由协议（即一组数字消息格式和规则）规定。工业自动化中使用了许多通信协议，包括As-i，BSAP，CIP，CAN总线，DeviceNet，DirectNet，EtherCAT，EtherNet / IP，EGD，Powerlink，HART，Interbus，Modbus，OSGP，Profibus，MPI等。 

HART（高速公路可寻址远程传感器）协议是工业自动化中最受欢迎的协议之一。 HART协议基于传统的4-20mA模拟仪表接线，使用一对电线在工业控制器和智能过程仪表之间进行数据通信。    

了解模拟传输
计算机系统和接口使用数字电压信号进行数据通信。但是，电压信号的问题在于它们会受到导线电阻的影响，这使得在远距离上传输电压信号进行数据通信变得不切实际。这就是电流环路通常用于自动化的原因。 

自80年代以来，4-20 mA一直是 实际上 自动化布线的标准。 4 mA的值表示“有效零”，有助于维持环路供电仪器的最小电流量。 

这些电流回路使用模拟（连续）信号进行数据通信。使用数字调制技术将数字数据叠加在载波信号（电流）上。幅度偏移键控（ASK），频率偏移键控（FSK）和正交相移键控（QPSK）是当前最常用的数字调制技术。 

了解HART协议
高速公路可寻址远程传感器或HART是一种工业自动化协议。这是智能过程仪表与控制或监视主机系统之间双向模拟通信的全球标准。 

主机系统可以是笔记本电脑，手持设备或工业过程控制系统（PLC / DCS）。该协议基于Bell 202标准，并且能够使用FSK将数字信息叠加在常规4-20 mA模拟信号上。该协议还由HART Communication Foundation（HCF）维护，并定义了物理连接以及应用程序使用的命令。   

HART协议以1200 bps的速率传输数据，使主机在一秒钟内可以从智能现场设备获得至少两次更新。该协议同时提供两个通道： 

1. 4-20 mA模拟信号–用于传达主要测量值
2. 叠加在模拟信号上的数字信号–用于传达其他信息

由于FSK信号的平均值为零，因此调制不会中断载波模拟信号。 

HART是一种主从协议，允许以点对点或多点模式进行数据通信。最多两个主站（点对点配置）可以同时共享通信总线。这允许手持通信器充当辅助主机，而控制或监视系统充当主要主机。    

HART协议如何工作
HART协议使用FSK。数字数据由两个不同的频率表示。 1200 Hz的频率表示第1位，而2,200 Hz的频率表示第0位。 

 

通过叠加直流模拟信号的两个频率，HART提供了同时的模拟和数字通信。 4-20 mA信号是 不 受数字调制的影响。

因此，HART被称为混合协议。

HART是一种主从协议，整个数据通信过程由主机系统启动和控制。主机设备从启用了HART的现场设备请求数据。该现场设备仅根据协议响应HART命令。
HART协议通过两根电线进行操作，从而允许主机控制器和现场设备之间进行2路通信。

也有可用的wirelessHART解决方案。但是，wirelessHART网关不使用模拟信号进行数据传输。相反，他们在无线载波上使用数字参数。

HART网络
启用HART的设备可以在以下两种配置之一中运行：

• 点对点： 当启用HART的设备与主机系统之间发生HART通信时。主变量（数据）通过模拟信号进行通信，所有其他变量均使用数字信号进行通信。主机系统最多可包含两个主机：一个主主机和一个辅助主机。
• 多点： 当多个启用HART的设备并行连接到传输线时。根据HART v07，可以在多点配置中将64个现场设备连接到HART总线。这些设备仅使用数字通道进行数据通信，而模拟信号则保持固定为4 mA。每个设备都有一个唯一的HART地址，并且没有两个设备可以同时访问传输线。

HART协议
HART协议中的数据以数据包的形式传输。每个消息包包含以下数据字段： 

前言– 包含5到20个十六进制值“ FF”的字节，该值从主机系统传输到现场设备。大多数主机系统仅发送五个前导字节。传输这些字节以帮助现场设备与数据流同步。 

起始字符– 在前导字节之后，起始字节从主机（主机）传输到现场设备。该字节可以指示多个值之一，并且通常包含主控号。起始字符是HART数据包开始的指示符。  

除主号码外，它可能包含以下指标： 

• 消息格式–例如从站到从站，从站到主站或从站的突发消息 
• 地址格式–短帧或长帧
• 扩展字段中的字节数

地址 - 可能有1到5个字节。它包含一个主地址和一个从地址。主机地址的指示是单个位，其中1表示主要主机，0表示次要主机。从机地址的指示在短帧中为4位轮询地址，在长帧中为38位唯一标识符。一位用于指示从机的突发模式。 

扩展– 可能包含0到3个字节。扩展字段中的字节数包括起始字符的位5和6。 

命令– 具有包含HART命令的单个字节。 

• 通用HART命令的范围是0到30
• 练习命令的范围是32到126 
• 设备特定的命令范围从128到253  

从HART v06起，还支持设备系列的16位扩展命令。这些命令以0x1F作为命令字节开头，然后是2字节命令。 

字节数– 有一个字节，指示状态和数据字段中的字节数。它让接收者现场设备知道消息包何时结束。 

状态 - 仅存在于从站发送到主站的消息中。它包含两个字节，指示通信错误，已接收命令的状态或接收器现场设备的状态。 

数据– 可以包含0到255个字节。数据字段的存在取决于特定命令。所有通用和通用练习命令都具有33字节的数据字段。 

校验和– HART消息将以校验和字节结尾。这是所有先前字节的XOR。为了检测通信错误，将奇偶校验位附加到每个字节。校验和字节有助于维护HART消息的整体完整性。 

HART模式

HART协议可以两种模式运行：

• 主从模式： 在此主机系统启动并控制整个数据通信。在HART回路中可以有两个主机，包括主要和次要主机。主要主机可以是分布式控制系统（DCS），可编程逻辑控制器（PLC）或工作站。辅助主机可以包括手持通信器或便携式计算机/ PC。从设备可以是启用了HART的传感器，执行器，控制器或变送器。
• 突发模式： 仅在点对点配置中可用。在这种模式下，从设备将向主机连续广播标准HART答复消息。一旦主机指示从设备广播消息，则从设备将继续发送响应而无需轮询。仅当它从主机系统接收到更多指令时，它才会停止。这就是为什么此模式允许每秒进行多达3或4个更新的更快的数据通信。

HART应用
使用HART协议时，可以在一条消息中传输四个或更多变量。多变量工具可以充分利用该协议的优势。实际上，现在有数百万种支持HART的设备用于过程自动化和其他工业应用中。 

市场上还有HART Communication Foundation的250多家成员公司，这些公司的HART支持产品也是如此。其中一些产品用于DCS和PLC应用程序。 

随着HART使用较旧的4-20 mA标准，它已成为 实际上 智能现场设备和电网仪表的数据通信标准。智能现场设备和传感器使用此协议来传达设备配置，诊断数据，设备状态，设备故障排除和测量值。 

wirelessHART还广泛用于仪器仪表和自动化中。它无需复杂的多路复用和电缆安装即可进行传感器数据通信。  

设备说明
通常，使用HART协议时，主机系统会使用高级语言应用程序进行数据通信。该协议由主机设备上的软件实现。由于主机系统可能需要与多个不同的HART设备进行通信，因此软件必须“知道”特定设备支持的HART命令。 

与计算机外围设备编写设备驱动程序以便与不同的计算机系统进行通信的方式类似，HART设备具有设备描述（DD）。 

设备描述以HART设备描述语言（DDL）编写，设备制造商将其源文件提交给HCF，以在HCF DD库中注册。验证后，这些源文件可用于主机应用程序。 

主机应用程序使用这些DD文件来识别特定设备支持的常规做法和特定于设备的命令。通过使用DD，主机供应商无需为每个不同的HART设备构建自定义接口和驱动程序。 

利弊
HART协议在自动化和仪器仪表领域提供了许多优势。也许最大的优点是它基于常规的4-20 mA标准。 4-20 mA布线的这种重复使用不仅意味着该协议具有成本效益，而且还使其得到了工业制造商和供应商的广泛认可。 

如今，有大量的HART产品与兼容的主机应用程序和设备一起提供。该协议高度准确，可靠且独立于平台，可在多厂商环境中实现完全互操作性。作为混合协议，它也是多变量仪器的首选。由于HART协议具有通过快速的设备配置进行自我诊断的能力，因此现在已广泛用于智能现场设备。  

但是有一些限制。例如，HART传输中的数字信号相对较慢。同样，对于多点配置，模拟信号不可用，并且可以共享传输线的设备数量受到限制。这些限制通常意味着必须与其他协议和标准集成。