HART协议的应用

HART协议的应用

李晓光

李晓光

齐鲁石化信息网络中心

摘要：简要介绍了HART协议，对HART协议的构成进行了分析，对HART消息的具体构成单元进行了说明。给除了编程具体事例。

关键词：HART；消息结构；长结构；短结构

1引言

1986年，由Rosemount提出HART（HighwayAddressableRemoteTransducer，可寻址远程传感器数据通路）通信协议，它是在4-20mADC模拟信号上叠加FSK（FrequencyShiftKeying，频率调制键控）数字信号，既可用作4-20mADC模拟仪表，也可以用做数字通信仪表。1993年，成立了HART通信基金会HCF（HARTCommunicationFoundation），约有70多个公司加盟，如Siemens、Yokogawa、E+H、Fisher、Rosemount等。虽然现在看来随着各种总线协议的成熟，HART协议以沦为一种过渡性的协议，但国内还是用着很多的支持HART协议的智能仪表。在相当长一段时间内，HART协议的产品仍会占据一定的市场。目前许多企业仅仅作为人工操作仪表来用，这决定了国内对HART协议应用的水平还不高，各组态软件厂商对HART协议的支持还很有限，不能直接在组台软件中直接支持HART协议的设备。

2HART协议简介

HART协议规定了传输的物理形式、消息结构、数据格式和一系列操作命令，是一种主从协议。当通讯模式为“问答式”的时候，一个现场设备只做出被要求的应答。HART协议允许系统中存在2个主机（比如说，一个用于系统控制，另一个用于HART通信的手操仪），如果不需要模拟信号，多点系统中的一对电缆线上最多可以连接15个从设备。

当地址为0时，则处于4～20mA的DC与数字通信兼容状态；当地址为1～15时，则处于全数字通信状态，通信模式为“问答式”或“突发式”。

2．1帧格式

图1HART协议信息结构形式

如图1所示，一条消息包括源地址、目的地址和一个校验位。每一个应答消息中包括场设备状态，他用于确保持续通讯的顺畅进行。数据位可有可无，视具体情况而定。一般每秒种可以传输2～3条消息。

HART5．0以前版本的设备一般采用“短结构”，单一的现场设备如果只利用4～20mA电流信号进行测量时，从设备的地址都是0；否则，对于多设备而言，从设备的地址是从1～15，这种短结构的地址采用“随选”的方法，随机分配1～15中的一个。HART5．0版本推出了“长结构”，这种格式的从设备地址具有独一无二性，如同每个网卡中物理地址一样，全世界范围内都没有重复，一般占5个地址字节中的38位。这38位地址信息包含了生产厂家的代码、设备型号码和设备识别码。这种格式减少了误传输和误接收的可能性。现在大多数主机设备既能支持长结构又兼容短结构，当从机的应答信号中没有“惟一”标识码时，HART5．0及其以上的版本提供的0号命令，就可以用于短帧中的设备地址识别。也就是说，主机将根据应答信号中是否具有“惟一”标识码来决定结构格式为“长”还是“短”。

我们从图1中可以简单地看出一般消息帧的组成，其中：

（1）PREAMBLE导言字节，一般是5～20个FF十六进制字节。他实际上是同步信号，各通讯设备可以据此略做调整，保证信息的同步。在开始通讯的时候，使用的是20个FF导言，从机应答0信号时将告之主机他“希望”接收几个字节的导言，另外主机也可以用59号命令告诉从机应答时应用几位导言。

（2）START起始字节，他将告之使用的结构为“长”还是“短”、消息源、是否是“突发”模式消息。主机到从机为短结构时，起始位为02，长帧时为82。从机到主机的短结构值为06，长结构值为86。而为“突发”模式的短结构值为01，长结构为81。一般设备进行通讯接收到2个FF字节后，就将侦听起始位。

（3）ADDR地址字节，他包含了主机地址和从机地址，如前所述，短结构中占1字节，长结构中占5字节。无论长结构还是短结构，因为HART协议中允许2个主机存在，所以我们用首字节的最高位来进行区分，值为1表示第一主机地址，第二主机用0表示。“突发”模式是特例，0，1值将交替出现，也就是说，在该模式下，赋予2个主机的机会均等。次高位为1表示为“突发”模式，短结构用首字节的0～4位表示值为0～15的从机地址，第5，6位赋0；而长结构用后6位表示从机的生产厂商的代码，第2个字节表示从机设备型号代码，后3～5个字节表示从机的设备序列号，构成“惟一”标志码。如图3和图4所示。

另外，长结构的低38位如果都是0的话表示的是广播地址，即消息发送给所有的设备。

（4）COM命令字节，他的范围为253个，用HEX的0～FD表示。31，127，254，255为预留值。

（5）BCNT数据总长度，他的值表示的是BCNT下一个字节到最后（不包括校验字节）的字节数。接收设备用他可以鉴别出校验字节，也可以知道消息的结束。因为规定数据最多为25字节，所以他的值是从0～27。

（6）STATUS状态字节，他也叫做“响应码”，顾名思义，他只存在于从机响应主机消息的时候，用2字节表示。他将报告通讯中的错误、接收命令的状态（如：设备忙、无法识别命令等）和从机的操作状态。

如果我们在通讯过程中发现了错误，首字节的最高位（第7位）将置1，其余的7位将汇报出错误的细节，而第2个字节全为0。否则，当首字节的最高位为0时，表示通讯正常，其余的7位表示命令响应情况，第2个字节表示场设备状态的信息。

UART发现的通讯错误一般有：奇偶校验、溢出和结构错误等。命令响应码可以有128个，表示错误和警告，他们可以是单一的意义，也可以有多种意义，我们通过特殊命令进行定义、规定。场设备状态信息用来表示故障和非正常操作模式。

（7）DATA数据字节，首先我想说明的是并非所有的命令和响应都包含数据字节，他最多不超过25字节（随着通讯速度的提高，正在要求放宽这一标准）。数据的形式可以是无符号的整数（可以是8，16，24，32b），浮点数（用IEEE754单精浮点格式）或ASCII字符串，还有预先制定的单位数据列表。具体的数据个数根据不同的命令而定。

（8）CHK奇偶校验，方式是纵向奇偶校验，从起始字节开始到奇偶校验前一个字节为止。另外，每一个字节都有1位的校验位，这两者的结合可以检测出3位的突发错误。

通常情况下，在“应答模式”下1s可以2次通讯，在“突发模式”下，每秒钟可以传送3条消息。

2．2常用重要命令介绍

（1）0号和11号命令用于识别现场设备。我们知道无论采用长结构还是短结构都可以标识现场设备，应答0号命令的信息中就包含了对不同设备的标识；然后，主机建立不同的标志，为随后的长结构命令做准备。在HART4．0版本及以前，传输类型码分为2字节：一个是生产厂商代码，另一个是设备类型代码。而两个字节还可以节略。到了HART5．0版本就必须使用充扩的代码表示设备信息，还用ID号代替了最终流水线号。

一个主机通常以0号命令开始通讯，赋予随选地址0，然后扫描1～15地址，看谁期待操作，显然由于HART5．0版本后的设备，主机可以使用11号命令，再带一个全0的广播地址，外加命令中的标志作为数据，等待着具有相同标志的从机响应，而应答的11号命令等同于0号命令。

（2）2和3号命令用于读取不同形式中的测量变量。命令2和3中有以mA为单位的电流值，电流值只有在设定输出范围内才可以作为主参量PV，而在其他时候，像复用模式、输出量可变、饱和或设备错误都不能如此使用。尽管PV和其他动态变量不受设定输出范围的限制，但是却必须受限于传感设备。

3MSComm控件简介

MSComm控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。MSComm控件在串口编程时非常方便，程序员不必去花时间去了解较为复杂的API函数，而且在VC、VB、Delphi等语言中均可使用。MicrosoftCommunicationsControl（以下简称MSComm）是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件，它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法。具体的来说，它提供了两种处理通信问题的方法：一是事件驱动（Event－driven）方法，一是查询法。

MSComm控件的常用属性

MSComm控件有很多重要的属性，但首先必须熟悉几个属性。

CommPort设置并返回通讯端口号。

Settings以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。

PortOpen设置并返回通讯端口的状态。也可以打开和关闭端口。

Input从接收缓冲区返回和删除字符。

Output向传输缓冲区写一个字符串。

4编程

在胜利炼油厂鲁皖管道齐鲁首站的数采系统中，使用了3台Rosemount2700智能变送器，使用Delphi，利用MsComm控件，采用HART协议实现了数据的采集。

4．1程序流程图

4．2发送命令、接受数据部分代码如下

var

senddata：array[1..10]ofchar；

reData：arrayofVariant；

sendstr：string；

restr：string；

i：longint；

begin

mscomm1.CommPort：=1；//指定端口

mscomm1.Settings：='9600，N，8，1'；//其它参数

mscomm1.InBufferSize：=1024；//接收缓冲区

mscomm1.OutBufferSize：=1024；//发送缓冲区

mscomm1.InputMode：=comInputModeBinary；//接收模式

mscomm1.InputLen：=0；//一次读取所有数据

mscomm1.SThreshold：=0；//一次发送所有数据

mscomm1.InBufferCount：=0；//清空读取缓冲区

mscomm1.OutBufferCount：=0；//清空发送缓冲区

mscomm1.PortOpen：=true；//打开端口

MSComm1.RThreshold：=16；//设置接收多少字节开产生oncomm事件

senddata[1]：=chr（$06）；//要发送的数据

senddata[2]：=chr（$03）；

senddata[3]：=chr（$00）；

senddata[4]：=chr（$03）；

senddata[5]：=chr（$10）；

sendstr：=''；

fori：=1to5do

sendstr：=sendstr+senddata[i]；

mscomm1.output：=sendstr；//发送数据

i：=0；

bzw：=false；

repeat

sleep（10）；

Application.ProcessMessages；

i：=i+1；

Ifi>30000Then

begin

showmessage（'发送超时!'）；

break；

end；

Untilbzw=true；

redata：=mscomm1.Input；接收数据

restr：=''；

fori：=0tovararrayhighbound（redata，1）do

restr：=restr+inttohex（redata[i]，2）+''；

mscomm1.PortOpen：=false；

flatmemo1.Text：=restr；

end；

5结论

本文完整地分析、实现了支持HART协议的流量计的数据采集，对今后对该类设备的数据采集具有借鉴意义。

参考文献：

[1]RosemoutInc．HARTsmartcommunicationprotocol，therosemountSmartFamily．Productdatasheet［S］．PDS2695．