數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)前自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的熱點(diǎn)之一。從現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)形成來(lái)看，它是控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果；而智能儀表則為現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。為解決開(kāi)放性資源的共享標(biāo)題，從用戶到廠商都強(qiáng)烈要求形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的形成。目前，幾種有影響的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有：基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART，除HART外，均為全數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。

HART協(xié)議概述

HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議是美國(guó)Rosemout公司于1985年推出的一種用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和控制室設(shè)備之間的通信協(xié)議。全數(shù)字化意味著將取消傳統(tǒng)的模擬信號(hào)的傳送方式，而要求每一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具有智能及數(shù)字通信的能力，使得操作人員或其他設(shè)備(傳感器、執(zhí)行器等)向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送指令(如設(shè)定值、量程、報(bào)警值等)，同時(shí)也能實(shí)時(shí)地得到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備各方面的情況(如測(cè)量值、環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行情況及設(shè)備校準(zhǔn)、自診斷情況、報(bào)警信息、故障數(shù)據(jù)等)。此外，原來(lái)由主控制器完成的控制運(yùn)算也分散到了各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和靈活性。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)關(guān)鍵之處在于系統(tǒng)的開(kāi)放性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從，打破了傳統(tǒng)生產(chǎn)廠家各自獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)的局面，保證了來(lái)自不同廠家的產(chǎn)品可以集成到同一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，并且可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)與其他系統(tǒng)共享資源。

目前，一方面現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)正處在完善和發(fā)展的階段，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的基于(4～20)mA的模擬設(shè)備還在廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制各個(gè)領(lǐng)域。因此，馬上全數(shù)字化是不現(xiàn)實(shí)的。為滿足從模擬到全數(shù)字的過(guò)渡，HART協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。

HART裝置提供具有相對(duì)低的帶寬，適度響應(yīng)時(shí)間的通信，經(jīng)過(guò)10多年的發(fā)展，HART技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)十分成熟，并已成為全球智能儀表的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

HART協(xié)議的技術(shù)應(yīng)用

1、HART通信采用的是半雙工的通信方式

HART協(xié)議參考ISO/OSI(開(kāi)放系統(tǒng)互連模型)，采用了它的簡(jiǎn)化三層模型結(jié)構(gòu)，即di一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層。在HART協(xié)議通信中，緊張的變量和控制信息由(4～20)mA傳送，在需要的情況下，另外的測(cè)量、過(guò)程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息通過(guò)HART協(xié)議訪問(wèn)。

2、操作器能從HART儀表中提取管理信息，包括生產(chǎn)廠商、設(shè)備類型、設(shè)備編號(hào)、工位號(hào)、日期、描述、量程上下限、zui小量程、傳感器上下限、工程單位、阻尼時(shí)間、傳遞函數(shù)等信息。

3、操作器能從HART儀表中提取測(cè)量信息，包括主變量、電流、量程百分比等。

4、操作器能對(duì)HART儀表進(jìn)行組態(tài),包括節(jié)點(diǎn)地址、主變量量程上下限、工程單位、阻尼時(shí)間、傳遞函數(shù)等。

5、操作器能對(duì)HART儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，包括4mA、20mA電流校準(zhǔn)、傳感器調(diào)零、傳感器上下限校準(zhǔn)等。

HART采用頻移鍵控(FSK)技術(shù)。它基于Bell202通信標(biāo)準(zhǔn)，在(4～20)mA模擬信號(hào)上疊加不同的頻率信號(hào)(220Hz吐露體現(xiàn)“0”,1200Hz吐露體現(xiàn)“1”)來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)。HART協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率為1200bps(位/秒)。HART現(xiàn)場(chǎng)總線(簡(jiǎn)稱HF)系統(tǒng)采用主從工作方式：主機(jī)為1臺(tái)IBM-PC機(jī)；從機(jī)為1臺(tái)或多臺(tái)遵守HART協(xié)議的HF智能變送器。當(dāng)從機(jī)只有1臺(tái)HF智能變送器，即智能變送器工作在點(diǎn)-點(diǎn)方式下時(shí)，可繼續(xù)使用傳統(tǒng)的(4～20)mA信號(hào)進(jìn)行模擬傳輸，而測(cè)量、調(diào)整和測(cè)試數(shù)據(jù)用數(shù)字方式傳輸；當(dāng)從機(jī)為多臺(tái)HF智能變送器時(shí)，即智能變送器工作在多站方式下時(shí),(4～20)mA信號(hào)作廢，每臺(tái)變送器工作電流為4mA左右。所有測(cè)量、調(diào)整和測(cè)試數(shù)據(jù)均用數(shù)字方式傳輸。由于每臺(tái)HF變送器有唯一的編號(hào)，所以主機(jī)能對(duì)每一臺(tái)變送器進(jìn)行操作。HART提供設(shè)備描述語(yǔ)言(DDL)，以確保互操作性。圖1是HART協(xié)議智能變送器的原理框圖。

傳感器模擬量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送入單片機(jī)，單片機(jī)將處理后的數(shù)字量通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器,經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換電路輸出(4～20)mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。在數(shù)字通信時(shí),微處理器通過(guò)通信接口芯片及耦合電路，以(4～20)mA電流環(huán)路為介質(zhì)傳送和接收數(shù)據(jù)。

功耗要求

為兼容(4～20)mA現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，HART協(xié)議智能變送器必須可工作在(4～20)mA兩線回路中。這就意味可用來(lái)為變送器供電的電流不能超過(guò)4mA。在實(shí)際應(yīng)用中，為兼容數(shù)字與模擬兩信號(hào)，通常將數(shù)據(jù)頻率信號(hào)通過(guò)V/I轉(zhuǎn)換電路的調(diào)整管，轉(zhuǎn)換為幅度為±0.5mA的頻率信號(hào)，疊加在兩線的(4～20)mA電流環(huán)上(2200Hz吐露體現(xiàn)“0”，1200Hz吐露體現(xiàn)“1”)。由于對(duì)特性,此信號(hào)的平均值為0。因此模擬和數(shù)字兩種信號(hào)互不干擾。但環(huán)路上電流瞬時(shí)zui大值I=4.5mA，zui小值I=3.5mA，如果向變送器供電過(guò)多，超過(guò)3.5mA，將導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)負(fù)半周失真。考慮到調(diào)節(jié)量所需的余量，要求對(duì)變送器供電電流一般不超過(guò)3.4mA為好。

供電方式

給變送器系統(tǒng)供電緊張有兩種方式：一是直接將輸入電壓穩(wěn)壓成所需電壓(5V或3.3V)后向系統(tǒng)供電，這種方法總電流必須控制在4mA以內(nèi)，二是采用DC-DC供電方式，只要DC-DC變換器的聽(tīng)從足夠高，在功耗控制上它比di一種方法要寬松得多，但同時(shí)還需要考慮變換器的線性穩(wěn)定性因素可能帶來(lái)的負(fù)面影響。由于目前微功耗、高性價(jià)比的集成電路出現(xiàn)，采用方法一的優(yōu)越性更多，因?yàn)樵诠╇姺绞缴?，兩種方法都有需考慮對(duì)供電電壓的適應(yīng)標(biāo)題。一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多為DC24V，也有DC36V供電的。一般要求變送器能在DC12～42V供電電壓下穩(wěn)定、可靠地工作，這一方面直接供電方式要比DC-DC變換方式靈活得多。

HART協(xié)議發(fā)展前景

應(yīng)該指出，HART被認(rèn)為是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但它本身并不算現(xiàn)場(chǎng)總線(模擬和數(shù)字的混合)，只能說(shuō)是現(xiàn)場(chǎng)總線的雛形，是一種過(guò)渡協(xié)議。由于(4～20)mA模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)將在今后相等長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)存在，所以研究HART協(xié)議仍具有嚴(yán)重意義。隨著技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已有一批“符合HART協(xié)議”的智能儀表及上位系統(tǒng)投放市場(chǎng)。這類儀表，如紹興中儀的3051智能壓力變送器等與傳統(tǒng)采用模擬信號(hào)的儀表相比，它不但能向用戶提供測(cè)量信息，而且還能對(duì)儀表進(jìn)行遠(yuǎn)方參數(shù)設(shè)定和向用戶提供儀表的管理信息,有的還能通過(guò)分外命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算,具有十分明顯的益處和更高的性能價(jià)格比,也有很大的市場(chǎng)前景。為在控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議上述功能，需要這類儀表的通信具有符合HART協(xié)議的劃一性，在臺(tái)式終端、手持器和上位操作站中有識(shí)別各企業(yè)生產(chǎn)的HART儀表設(shè)備標(biāo)識(shí)和各種操作命令的“數(shù)據(jù)庫(kù)”。因此,為推動(dòng)國(guó)產(chǎn)符合HART協(xié)議儀表順利進(jìn)入市場(chǎng)，在控制系統(tǒng)中充分發(fā)揮其智能化和數(shù)字通信功能，國(guó)家機(jī)械工業(yè)局于1999年11月3日以國(guó)機(jī)管《1999》583號(hào)文發(fā)布了《國(guó)產(chǎn)符合HART協(xié)議智能儀表登錄工作辦法》，并制定了《國(guó)產(chǎn)符合HART協(xié)議智能儀表登錄工作辦法實(shí)施細(xì)則》。并委托中國(guó)儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)成立登錄工作辦公室，開(kāi)展登錄細(xì)致工作。