長文圖解工業(yè)HART總線協(xié)議

[導(dǎo)讀]

在AIOT蓬勃發(fā)展的今天，也掀起傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)備IOT革新的浪潮。那么需要對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行IOT改造，除了直接開發(fā)具有IOT互聯(lián)協(xié)議的新型設(shè)備，對原有總線設(shè)備的接入改造其實也是一塊很大的蛋糕。因此，掌握傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備通訊總線，也是很必要的，即便在現(xiàn)在或者將來傳統(tǒng)的工業(yè)總線也不會被淘汰，這是由于這些現(xiàn)場總線是專為復(fù)雜的工業(yè)控制現(xiàn)場而設(shè)計的。今天，就來分享一下HART總線。

初始HART總線

基本信息

HART(Highway Addressable Remote Transducer)可尋址遠(yuǎn)程變送器高速通道協(xié)議，翻譯起來有點繞口。HART協(xié)議是用于過程控制設(shè)備的面向事務(wù)的通信服務(wù)。HART通信設(shè)備旨在增強傳統(tǒng)的4-20 mA模擬信號傳輸，可在工業(yè)環(huán)境中提供相對低帶寬、適度的響應(yīng)時間的通信協(xié)議。應(yīng)用包括遠(yuǎn)程過程變量查詢，參數(shù)設(shè)置和診斷。從名字上就可看出，這個協(xié)議是用于變送器(有的也翻譯為傳感器)，名字不重要，重要的是理解這究竟是什么個內(nèi)涵.所謂變送器就是指能將現(xiàn)場情況的物理參數(shù)進(jìn)行采集(比如溫度、壓力、流量等)并以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模擬信號輸出的設(shè)備，所謂工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)模擬信號是指國際電工委員會(International Electro technical Commission，簡稱IEC)定義的4-20mA或者1-5V信號。那么HART協(xié)議究竟是怎樣一個協(xié)議呢？HART協(xié)議是混合模擬信號以及數(shù)字信號的工業(yè)自動化開放協(xié)議。HART被廣泛用于過程和儀表系統(tǒng)，從小型自動化應(yīng)用到高度復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用。它最顯著的優(yōu)點是，可以通過傳統(tǒng)的4–20 mA儀表電流回路進(jìn)行通信，有線HART協(xié)議的物理層為一對導(dǎo)線：

• 該導(dǎo)線可以為設(shè)備供電導(dǎo)線內(nèi)為4-20mA電流環(huán)同時進(jìn)行模擬以及數(shù)字通信

什么是模擬通信呢？也就是前面說的4-20mA輸出物理量的概念，比如現(xiàn)場是一個溫度變送器，當(dāng)前測溫范圍為℃～℃，那么4mA就對應(yīng)-200℃，而20mA就對應(yīng)500℃,存在下面的關(guān)系：其數(shù)字通信協(xié)議支持：

• 訪問儀表的參數(shù)及診斷信息，這不是簡單的讀取，而是有專用公共的命令規(guī)范，獲取診斷數(shù)據(jù)。支持多變量設(shè)備，這是什么意思呢？比如一個變送器可以同時測量壓力以及溫度，則是雙變量變送器。設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測完全開放的事實標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)通用命令及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)DDL(Device Description Language)支持，這是啥意思，就是用這樣一種規(guī)范的文本描述語言抽象設(shè)備的信息其他的組態(tài)軟件可以直接導(dǎo)入，從而實現(xiàn)互聯(lián)互通。這就是標(biāo)準(zhǔn)的力量，不同廠家做的設(shè)備為什么可以在一個系統(tǒng)里快速組網(wǎng)，實現(xiàn)過程控制系統(tǒng)。

其模擬通信特點：

• 模擬4-20mA通信與數(shù)字通信同時進(jìn)行兼容現(xiàn)有的4-20mA設(shè)備，即便某個4-20mA設(shè)備沒有HART支持。模擬4-20mA本身就是一種通信，比如一個測量變動器可直接接入一個控制器的模擬4-20mA通道，將測量值實時傳輸給控制器，而控制器的4-20mA輸出又可以接到執(zhí)行器(比如閥門控制器)的4-20mA輸入通道，從而控制閥門的開度，形成閉環(huán)控制。

本文主要介紹基于有線連接物理層的HART，HART的物理層還支持2.4GHz，基于802.15.4規(guī)范的無線物理層。

網(wǎng)絡(luò)分層

從前面介紹，基本知道了大致信息，現(xiàn)在來看看該協(xié)議的分層情況

從上面的圖可以看出，HART協(xié)議對應(yīng)OSI模型，實現(xiàn)了其中的5層：

• 有線物理層：這里有句題外話，協(xié)議的物理層負(fù)責(zé)地產(chǎn)BIT流的傳輸，其實你用其他的物理層來傳HART報文是否可以呢？當(dāng)然也是可以的，比如你就用SPI去傳也能傳能收，為什么不用？無法適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的噪聲環(huán)境，也無法可能滿足現(xiàn)場組網(wǎng)的需求，比如總線仲裁等。

• 無線物理層：無線HART則采用基于IEEE802.15.4的無線2.4GHz頻段物理層。IEEE802.15.4是一項定義了低速無線個人局域網(wǎng)（low-rate wireless personal area networks簡稱LR-WPAN）操作的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)范了LR-WPAN的物理層和媒體訪問控制，并由IEEE 802.15工作組維護，該工作組在2003年定義了該標(biāo)準(zhǔn)。它是Zigbee，ISA100.11a，WirelessHART，MiWi，6LoWPAN，Thread和SNAP規(guī)范的基礎(chǔ)，它們各自都通過開發(fā)IEEE 802.15.4中未定義的上層來進(jìn)一步擴展了標(biāo)準(zhǔn)。6LoWPAN還定義了WPAN上的Internet協(xié)議（IP）的IPv6版本的綁定，并且本身被Thread等上層所使用。需要注意的是WIFI雖然也使用2.4GHz頻段，但是它遵循802.11規(guī)范。所謂Mesh網(wǎng)絡(luò)，看看下面這個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>圖就很好理解了：

• FSK物理層：有線HART的物理層主要采用采用FSK(Frequency Shift Keying)頻移鍵控將0/1調(diào)制在4-20mA電流環(huán)路上，稍后在對FSK進(jìn)行介紹。PSK物理層：實際上是C8PSK(Coherent 8-way Phase Shift Keying), 它實際上是一種數(shù)字通信調(diào)制技術(shù)，通過改變恒定頻率參考信號（參考信號稱為載波）的相位來傳輸數(shù)據(jù)。所謂相位就是通過精確地改變正弦或余弦輸入時間來完成調(diào)制。RS-485物理層：這個是比較常見的半雙工差分串行總線，實際上此類設(shè)備不是HART協(xié)議的主流，使用并不廣泛。

• 鏈路層：網(wǎng)絡(luò)層(僅無線HART)：主要實現(xiàn)功率優(yōu)化，mesh網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)時間同步，時間同步的精確性對于基于時分復(fù)用 (Time-division multiple access簡稱TDMA) 的網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，時間不同步，網(wǎng)絡(luò)將癱瘓。傳輸層：HART的傳輸層主要對于大塊數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分傳輸。應(yīng)用層：應(yīng)用層定義了協(xié)議支持的公共命令，響應(yīng)，數(shù)據(jù)類型和狀態(tài)報告。因此HART應(yīng)用層確保不同公司的設(shè)備的互操作性中起著重要作用。所謂互操作性，是指互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，還定義了應(yīng)用操作。比如溫度變送器，接入控制系統(tǒng)可以很容易與另一個閥門控制器、加熱控制器快速組成溫控系統(tǒng)。

• 數(shù)據(jù)鏈路層為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的、面向事務(wù)的通信路徑。對于FSK/PSK HART通信是通過雙絞線進(jìn)行傳輸，雙絞線可能同時傳輸4-20mA信號。數(shù)據(jù)鏈路層將通過使用錯誤檢測信息和自動重復(fù)請求（Automatic Repeat Request 簡稱ARQ）協(xié)議來請求重新傳輸可能被線路噪聲或其他干擾破壞的數(shù)據(jù)塊，從而來糾正由于通信鏈路上的噪聲引起的錯誤。對于無線HART，則通過基于時間同步的TDMA/CSMA機制進(jìn)行鏈路管理、沖突檢測。在檢測到出錯時自動重復(fù)請求的跳頻技術(shù)。所謂跳頻，就是在802.15.4規(guī)范的帶寬里，將帶寬劃分為多個信道，主從直接約定好跳頻機制，從而有效的利用空閑信道。

HART規(guī)范書

HART原來由HART基金會管理，現(xiàn)在由FieldComm Group進(jìn)行管理，F(xiàn)ieldComm Group由現(xiàn)場總線基金會(Fieldbus Foundation 簡稱FF)以及HART基金會合并而來，統(tǒng)一管理FF以及HART總線標(biāo)準(zhǔn)。有興趣可以去https://www.fieldcommgroup.org/進(jìn)一步了解。那么HART協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)文檔基本由哪些組成呢？這里總結(jié)了一個思維導(dǎo)圖供參考：

從上面這個導(dǎo)圖，可以看到，HART還為不同類型的工業(yè)設(shè)備制定了相應(yīng)的通信規(guī)范，比如溫度變送器、壓力變送器、閥門控制器、PID控制器、累加器、液位變送器、科里奧力流量變送器、渦街流量變送器、電磁流量變送器等。而對于無線HART則由HCF_SPEC_290文檔進(jìn)行集中描述。有了這份圖，如果你是從事相關(guān)開發(fā)工作，相信對HART標(biāo)準(zhǔn)文檔會有一個比較清晰的認(rèn)識。HART協(xié)議GB對應(yīng)GB/T 29910.1～6-2013 type 20，IEC61158于2017年將HART標(biāo)準(zhǔn)收錄，對應(yīng)其子類的type 20。下面來對于其中比較重要的物理層、鏈路層以及應(yīng)用層做進(jìn)一步的介紹。

物理層

一般的，F(xiàn)SK/PSK物理層與數(shù)據(jù)鏈路層都按照下面的模型進(jìn)行設(shè)計，本文僅介紹最為常用 的FSK物理層，對C8PSK有興趣的，可以查閱HCF_SPEC-60。

FSK物理層

HART采用二進(jìn)制頻移鍵控(Binary FSK簡稱BFSK)，其工作原理為：

所謂BFSK就是將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照二進(jìn)制BIT流變換成相應(yīng)的頻率信號疊加起來，簡單的可以理解成下圖這樣一個收發(fā)過程：

調(diào)制器與解調(diào)器一起組成了調(diào)制解調(diào)器，對于設(shè)備間通信而言基本都有這樣一個調(diào)制解調(diào)的過程。發(fā)送端調(diào)制器：

在兩種不同信號頻率間信號按照一定的時間間隔根據(jù)輸入的二進(jìn)制位為0或者1，選擇成頻率1或者頻率2，進(jìn)而合成為一個信號輸出。將該物理信號輸出到物理介質(zhì)。當(dāng)然實際使用的FSK，由不同的實現(xiàn)參數(shù)以及細(xì)節(jié)，還分連續(xù)相位頻移鍵控、高斯頻移鍵控、最小頻移鍵控、高斯最小頻移鍵控、音頻頻移鍵控等。接收端解調(diào)器：

接收端將從物理介質(zhì)接收到的電信號，分兩路進(jìn)入兩個帶通濾波器，帶通濾波器分別為調(diào)制器對應(yīng)的0/1調(diào)制頻率，將該有用信號檢出，再送入到檢波器電路將信號檢出為數(shù)字信號，雙路數(shù)字信號再由判決電路按照對應(yīng)的波特率判決成二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，從而完成物理層的解調(diào)過程。顯然，這兩個帶通濾波器的通帶應(yīng)是不相交的，才能檢出各自有用頻率信號。基本明了FSK的大致原理后，那么HART的FSK又是怎么樣的呢？

HART采用連續(xù)相位頻移鍵控(Continuous Phase Frequency-Shift-Keying，也簡稱為CPFSK)技術(shù)，所謂連續(xù)相位可以觀察0/1相鄰的點，簡單理解就是賦值是連續(xù)的。HART利用1200Hz正弦電流信號表征邏輯1，而由2200Hz正弦電流信號表征邏輯0。0/1調(diào)制的時間寬度是一樣的，采用一周期1200Hz正弦時間。這些調(diào)制的信號再線性疊加到4-20mA上，因此在4-20mA上的波形大致就是這樣：

有童鞋可能會說，這樣豈不是污染了4-20mA環(huán)路嗎？HART協(xié)議規(guī)定調(diào)制信號的頻帶基本須在500-10KHz內(nèi)：

4-20mA變送通道的變化頻率低于1200Hz，設(shè)備會做一個低通濾波，濾除掉這些調(diào)制信號，再進(jìn)入被接入設(shè)備的I/V轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)而采樣環(huán)路電流。所以一般的，接入端會并接一個250歐的電阻，將4-20mA轉(zhuǎn)換為1-5V，當(dāng)然也可能是其他電阻值。工業(yè)測量的過程量，一般都是低頻信號，所以這樣設(shè)計是沒有問題的。此調(diào)制解調(diào)器器可以由專用芯片完成，比如 安森美的NCN5192，Maxim的DS8500等都可以，也可以自己設(shè)計調(diào)制電路實現(xiàn)。

鏈路層

鏈路層向上層提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)，以及對下層的物理層介質(zhì)進(jìn)行介質(zhì)訪問管理，同時定義了數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)。

幀結(jié)構(gòu)

首先來看看HART協(xié)議報文結(jié)構(gòu)：

其定界符定義為：

校驗碼采用異或校驗算法，包括自定界字節(jié)開始至所有有效字節(jié)的異或結(jié)果便生成校驗碼。報文結(jié)構(gòu)之前繪制過一個思維導(dǎo)圖，這里附上：

由于地址類型有可能是1字節(jié)或者5字節(jié)兩種類型，因此報文的幀長由下面示意圖確定：

1. 根據(jù)地址類型確定Byte Count字段的位置根據(jù)Byte Count長度確定校驗自己的位置

接收幀算法，主要由下面幾個關(guān)鍵事件完成：

長地址格式：由主站地址類型、Burst 模式標(biāo)志、設(shè)備類型字段、ID字段組成。

主站類型：

• 主要主站輔助主站

設(shè)備類型，設(shè)備類型主要定義可參考下面思維導(dǎo)圖：

介質(zhì)管理服務(wù)

看這個圖好像很復(fù)雜，其實這是一般標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)謹(jǐn)表述方式，姑且稱為協(xié)議原語，所謂協(xié)議原語就是某一確定的動作抽象，對于物理層的控制就包含這樣一些操作管理：

• RESET復(fù)位原語，比如你自己做的調(diào)制解調(diào)器或者現(xiàn)有的芯片，需要實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位的操作，比如現(xiàn)成的芯片可能提供復(fù)位腳或者控制命令，那么編程就是控制物理層進(jìn)行復(fù)位。ENABLE使能原語，對物理層的使能控制操作，比如MODEM芯片的ENABLE引腳的控制DATA傳輸/接受原語，將物理層數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)控制，對于發(fā)，就是將上層數(shù)據(jù)發(fā)送給物理層發(fā)送到總線介質(zhì)的意思，對于收而言就是物理層接收到的BIT流進(jìn)行成幀，并上傳給上層。

總的指導(dǎo)控制操作，按照上述建議交互圖進(jìn)行與物理層進(jìn)行交互。注：標(biāo)準(zhǔn)中以SAP(Service Access Point)進(jìn)行描述，所謂SAP,就是對介質(zhì)或上層服務(wù)的一種抽象說法，至于這個名詞不必覺得不好理解。

鏈路管理服務(wù)

鏈路管理主要描述鏈路層對應(yīng)用層的服務(wù)，主要分兩種服務(wù)，報文服務(wù)，以及管理服務(wù)：

• **報文服務(wù):**發(fā)送消息和接收回復(fù)的基本功能。此外，還指定了SAP，以允許捕獲未經(jīng)請求的消息，比如捕獲Burst報文。管理服務(wù)：管理服務(wù)指允許配置數(shù)據(jù)鏈路層本身參數(shù)的服務(wù)。

看這個圖好像很復(fù)雜，其實就是描述了應(yīng)用層對鏈路層三種基本操作：

• TRANSMIT發(fā)送服務(wù)原語：應(yīng)用層發(fā)送報文給鏈路層RECEIVE接受服務(wù)原語：接收報文并傳輸給應(yīng)用層CYCLIC捕獲服務(wù)原語：周期性接受總線Burst報文，所謂Burst就是某一個站點周期性向總線廣播報文，一般會將測量值或控制信息周期性廣播，接收設(shè)備可以捕獲該數(shù)據(jù)實現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)用控制。

介質(zhì)控制

無Buest設(shè)備：主要是完成介質(zhì)沖突控制的，采用令牌傳遞方式進(jìn)行介質(zhì)沖突控制，當(dāng)總線中沒有Burst設(shè)備時，其控制狀態(tài)機如下：

總線設(shè)備主要有可能有三類設(shè)備：主要主站、從設(shè)備、輔助主站。令牌在這三者間按照上述狀態(tài)機進(jìn)行切換控制。數(shù)據(jù)總是主站發(fā)起，從站應(yīng)當(dāng)。是一種主-從通信模式，唯一要考慮的時，總線中主要主設(shè)備發(fā)起通信，從設(shè)備應(yīng)答，如果在從設(shè)備應(yīng)答令牌周期沒有應(yīng)答或者完成應(yīng)答，令牌將傳遞給輔助主站。有Burst設(shè)備：如果總線中存在Burst模式設(shè)備，則總線設(shè)備角色就多了一個，其令牌傳遞狀態(tài)機就變成這樣了：

其實就是令牌多了一個角色可以獲取，其機理還是與上面的一樣。

應(yīng)用層

應(yīng)用層主要定義：

• 通過協(xié)議傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)的格式；所有現(xiàn)場設(shè)備的版本規(guī)則；定義通用命令編號，通用慣例，特定設(shè)備和設(shè)備系列命令使用；私有HART命令的構(gòu)造要求；所有命令響應(yīng)都需要返回的命令狀態(tài)字節(jié)；設(shè)備使用狀態(tài)和現(xiàn)場設(shè)備變量；主機用于識別現(xiàn)場設(shè)備和管理HART網(wǎng)絡(luò)的過程

另外應(yīng)用層還規(guī)定了12項基本原則：

1. 所有設(shè)備都必須遵守HART現(xiàn)場通訊協(xié)議規(guī)范的有效兼容修訂版；48號的必須遵守通用操作命令規(guī)范中的要求；任何時候都不得從任何設(shè)備上刪除命令，兼容性考慮；現(xiàn)場設(shè)備支持的命令中任何數(shù)據(jù)項的含義均不得更改數(shù)據(jù)項可以添加到任何命令的末尾不得從枚舉表，位字段或響應(yīng)代碼中刪除條目設(shè)備變量的代碼號不得更改設(shè)備變量的設(shè)備系列必須保持固定。設(shè)備變量的分類必須保持固定遵循以下規(guī)則，現(xiàn)場設(shè)備可以從HART 4升級而無需更改設(shè)備類型：
   • 設(shè)備修訂版所針對的HART現(xiàn)場通信協(xié)議規(guī)范的所有要求都必須遵守必須刪除命令4和命令5除命令0外，所有命令都必須僅以長幀格式實現(xiàn)，命令0必須同時以短幀和長幀格式實現(xiàn)。必須為每個主機提供設(shè)備狀態(tài)字節(jié)中單獨的配置更改位（即一個用于主要主機，另一個用于輔助主機）。當(dāng)接收到命令38時，必須僅復(fù)位與發(fā)出命令的主機相對應(yīng)的位。根據(jù)HART 5的要求，這些位必須是非易失性的。所謂非易失性就是掉電保存。必須為每個主機在設(shè)備狀態(tài)字節(jié)中提供一個單獨的冷啟動位必須支持通用實踐命令規(guī)范中指定的命令38和命令48

    

   •  

   遵循以下規(guī)則，現(xiàn)場設(shè)備可以從HART 5升級而無需更改設(shè)備類型

   • 設(shè)備修訂版所針對的HART現(xiàn)場通信協(xié)議規(guī)范的所有要求都必須遵守必須為每個主機提供設(shè)備狀態(tài)字節(jié)中單獨的配置更改位必須為每個主機在設(shè)備狀態(tài)字節(jié)中提供一個單獨的冷啟動位必須支持通用實踐命令規(guī)范中指定的命令38和命令48如果支持“Burst模式”，則必須添加2條其他“Burst消息”。且必須添加事件通知。

   遵循以下規(guī)則，可以在不更改設(shè)備類型的情況下從HART 6升級現(xiàn)場設(shè)備

   • 必須遵守設(shè)備修訂版所針對的HART現(xiàn)場通信協(xié)議規(guī)范的所有要求。必須按照“通用實踐命令規(guī)范”中的說明來支持命令38和命令48。2字節(jié)命令格式：命令字段為0x1F，可在數(shù)據(jù)字段中找到WO字節(jié)擴展命令號。

總結(jié)一下

HART總線，是工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)用最為廣泛的總線協(xié)議之一，除此之外還有常見的modbus協(xié)議、Profibus協(xié)議、FF基金會總線協(xié)議等。其實總線通信協(xié)議都有其相似的地方，這也是為什么有OSI七層模型這一說，就是我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的TCP/IP協(xié)議棧也脫離不了這些相似的地方。本文旨在梳理一下比較重要的信息，方便對有興趣的童鞋起到一個提綱攜領(lǐng)的作用，主要參考HART標(biāo)準(zhǔn)，同時加入自己的理解。短短的一篇文章并不能完整的總結(jié)這樣一個協(xié)議，還有很多細(xì)節(jié)沒有囊括，比如變量管理、診斷定義等等，具體開發(fā)中請以HART標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)。整理本文，也是對之前工作中所使用到的工業(yè)總線協(xié)議做個總結(jié)。整理不易，如覺得有價值，請轉(zhuǎn)發(fā)給有需要的朋友，是對我最大的支持和肯定！