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因此所有设备应采用电压敏感的接收器电路。
HART通讯信号电平如下表2.2所示。
主设备传送的信号
min:
400mV;
max:
600mV
从设备传送的信号
0.8mA;
1.2mA
接收器灵敏度（要求必须正确接收）
120mV~2.0V
接收器阈值
0~80mV
最大的从设备信号，由1100Ω负载转换
1320mV
最小的从设备信号，由230Ω负载转换
184mV
表2.2HART通讯信号电平（均为峰峰值）
接收器灵敏度的规定允许由电缆或其它元器件引起的适度的信号衰减。
接收器阈值的规定减少了外来信号的干扰，避免了邻近电缆上HART信号的串扰以及共用非理想地、供电系统等引起的干扰。
2.1.2连接方式
两线制变送器的常规连接电路如图2.2所示。
在实际应用中，供电单元、传送器和负载电阻可以按任意顺序连接，电路中的任意一点都可以接地。
手持终端或主设备通讯设备不能直接跨接在供电单元的两端，而是应该连接到通到现场的两线上（图中A、B点），或者跨接在负载电阻两端（图中B、C点）（在这种情况下，电路通过供电单元连通）。
HART协议允许负载阻抗为230Ω～1100Ω。
如果不是现场设备，HART通讯单元必须不提供任何直流电阻到线上。
因此，它必须含有或者连接通过一个最小值为6.8uF的电容。
图2.2两线制变送器常规连接电路
有些HART设备自己备有电源，供给4～20mA电流输出和HART通讯，连接线路如图2.3所示，与之通讯的设备可跨接在负载电阻两端（图中B、C点）。
图2.3有源设备的连接电路
另外可以按多点模式将变送器连接成网络形式。
HART协议中每一条通讯帧都含有源地址和目的地址，通过给每一个从设备设置不同的地址（1~15），可以把许多这样的从设备并行跨接在一条现场绞合线上，每一个从设备只应答与自己地址相符的通讯帧，这种连线方式下的环路称为多点模式。
由于多点运行采用的是全数字信号，4～20mA模拟信号已毫无意义，所以HART协议指定多点运行时的各变送器只输出4mA电流（足以供电）。
在点对点运行中，主变量的值可以通过模拟量或者数字通讯读取，而在多点模式中，由于模拟量已不再有效，所以只能依靠数字通讯读取主变量。
理论上应该可以把两线制电流回路和有源设备混合连接在一个多点线路中，但是由于它们不同的连接方式，现场需要有第三根线，如图2.4所示：
图2.4两线制电流回路和有源设备混合连接的多点线路
2.1.3供电电源及电缆
变送器的典型工作电压是24V，一般最小工作电压是12V，有些特殊的智能变送器的最小工作电压可以达到7~8V。
电源供电电压不决定于HART协议的规定，而是由回路中的仪表确定。
多数现有电缆都可以用于HART通讯，但最好采用带屏蔽的直径大于0.51mm的电缆（如24AWG）。
限制信号传输距离的主要因素还是电缆的电阻、电感与分布电容对信号的衰减。
点对点时传输距离可达3000m,而多点运行时可达1500m。
2.2HART协议的数据链路层
本节描述了HART协议中字符和数据的编码、帧结构和数据传送程序。
这些规定都与OSI协议参考模型的第二层——数据链路层的规定相一致。
2.2.1HART通讯方式
HART协议为主从式结构，即指每一帧的传送都是由主设备（控制中心）开始，从设备（现场仪表）只是在接收到命令帧后才响应。
HART协议允许系统中有两个主设备。
通常，第一主设备为控制系统或其它主设备，第二主设备为手持通讯器或维护计算机等。
两个主设备具有不同的地址，从而辨别各自发出的命令帧的响应帧。
一般总是由主设备来控制数据帧的传送。
如果，从设备在定义的时间段内没有响应命令帧，主设备将重发命令帧。
如果几次重发以后，从设备还是没有响应，主设备将取消这次命令的传送。
一旦一次传送完毕，主设备将暂停片刻，使其它主设备能够插入通讯。
两个主设备可轮流与从设备通讯。
典型的帧长和延迟允许每秒传送两次。
从设备的通讯模式一般有3种：
单点模式、多点模式和突发模式。
单点模式即回路中只有一台现场设备，该设备的地址为“0”，既可输出4~20mA的模拟信号，又可以进行数字通讯，是目前使用最广泛的通讯模式。
多点模式即在一个回路中连接多台现场设备，这些设备可以通过不同的地址加以区分，地址可以从“1”到“15”进行分配，因此一个回路理论上最多可以连接15个从设备。
在实际应用上，为了本安要求，一般最多连接5台左右（总电流控制在20mA以内）。
突发模式是为了提高从设备的数据传送速率，在一些特别重要的场合常采用这种模式。
当现场设备设置成突发模式时，它就定时重复发送数据帧，设备每传送一帧数据后，会有一段暂停允许主设备终止突发模式。
主设备可以通过一些特殊的命令来启动和终止这种模式。
通常，突发模式在点对点通讯时才有效。
运用突发模式，每秒可以传送三条以上的信息帧。
2.2.2字符编码
HART通讯时，是按字符接收和发送的。
HART通讯帧就是由若干个字符组成，每个字符是一个8位的字节，字符编码如图2.5所示。
通过通用异步收发器（UART）在串行电缆上串行发送或接收。
每个字节都添加有一个起始位，一个奇偶校验位和停止位，因此实际上是11位。
这就使通用异步收发器（UART）可以分辨每个字符的起始，并且检查因电气噪声或其它干扰而引起的位错。
HART使用奇校验。
一个8位字节是按下列1和0的序列发送的。
HART规定：
在发送一个通讯帧时，每两个字符之间的发送间隔GAP不能大于一个字符时间9.167ms。
一个字符时间即为以1200bps
发送一个字符所需的时间。
0
00
01
02
03
04
05
06
07
P
1
Start8databitparityStop
bit（leastsignificantfirst）bitbit
图2.5一个8位字节的序列
2.2.3通讯帧格式
HART协议规定一条信息的帧结构如图2.6所示：
PREM
DELM
ADDR
COMM
BCNT
[STATUS]
[DATA]
CHK
PREM:
Preamble序文BCNT:
Bycount字节数
DELM:
Delimiter起始字符STATUS:
变送器通讯状态
ADDR:
Address地址（源地址和目的地址）DATA:
通讯数据
CMD:
Command命令号CHK:
Checksum校验和
图2.6HART通讯的帧结构
HART通讯中的帧又可分为长帧和短帧格式。
较早的HART仪表（HART第四版）使用短帧格式。
在该格式里输出4～20mA电流信号的非多点运行的从设备的地址为0，多点运行的设备的地址为1～15。
HART第五版介绍了长帧格式。
在该格式里，从设备的地址是由制造厂家代码、设备型号代码和设备标志组成的世界通用的38位二进制数字。
长帧格式可以减少外界干扰或串音干扰造成的对其它设备的误接收。
长帧格式也扩展了HART协议的地址容量，使通讯可以在大型网络上进行，例如通过公共无线电网与远程现场设备通讯。
新现场设备使用长帧格式，而老现场设备使用短帧格式。
主设备应当两种格式都能处理。
HART协议是半双工的。
在完成一次信息的传输以后，必须关闭FSK信号，使其它的设备能够通讯。
帧中的每一项将在以下各段详细介绍。
●序文（Preamble）由两个或两个以上的“FF”组成。
它主要用于MODEM接收时的频率同步。
●起始字符（Delimiter）一个字节，在HART通讯中用来表示帧的类型，以及是长帧还是短帧，如表2.3所示。
接收起始字符必须在接收到两个或两个以上的“FF”以后才开始。
短帧
长帧
发送帧
02
82
应答帧
06
86
突发帧
01
81
表2.3起始字符的定义
●地址（Address）包括源地址和目的地址，短帧为一个字节，长帧为五个字节，如图2.7所示。
两种格式的地址的开头两位都是一样的。
第一位为主设备地址，第一主设备（控制系统的主机等）的地址为“1”，第二主设备（手操器等）的地址为“0”。
第二位为突发模式位，当从机处于突发模式时，该位为“1”。
在短帧格式中，从设备的轮询地址为0~15，二进制表示为四位。
从设备在点对点模式中地址为0，而在多点模式中地址为1~15。
在长帧格式中，共38位（五个字节的后38位）表示从机的地址。
MA
BM
SA
保留位从设备地址
突发模式位（4位，轮询地址）
主设备地址
a）短帧格式的地址
SA
突发模式位从设备地址（38位）
b）长帧格式的地址
图2.7帧中的地址
●命令号（Commandnumber）一个字节，范围为00~FFH（或十进制的0~255），代表HART的命令序号。
●字节数（Bycount）一个字节，表示该字节和校验和字节之间的字节个数。
范围为：
0~255。
●通讯状态（Status）两个字节，通讯状态仅在从设备向主设备发送的应答帧中才有，用来表示从设备所接收的数据的状况。
第一个字节表示通讯是否出错，第二个字节表示从设备当前的工作状态。
●通讯数据（Data）为命令帧或应答帧中的用户数据，一般不超过24个字节。
数据有以下几种形式：
整数——8，16或24位无符号整数。
浮点数——IEEE754格式的浮点数。
ASCII字符串——3字节压缩的ASCII码。
标准表的数据——由HART提供的标准表可查，8位整数代码。
校验和（Checksum）一个字节，存放从起始字节到所有通讯数据的顺序异或的结果，用来校验接收的数据（即长校验）。
2.2.4HART通讯的发送和接收状态机
HART通讯中的接收和发送状态机如图2.8,图2.9所示。
HART链路层就是按照该接收和发送状态机来控制HART通讯中的接收和发送。
接收和发送状态机通常是由中断实现的。
接收状态机如图2.8所示。
首先，状态机处于“等待开始接收”状态，判断是否接收到有效的preambles和delimiter。
如果字符接收间隔超时，奇校验出错，或收到既不是preambles也不是delimiter的字符，则接收状态机设置相应的错误状态位。
如果收到了有效的preambles和delimiter，则接收状态机设置收到信息帧的类型（发送帧，应答帧或突发帧）；
然后接收信息帧的其余部分，直到按信息帧的字节数（byte-count）收完为止。
当信息帧接收完以后，如果接收允许被禁止，则接收状态机进入终止状态。
图2.8接收状态机图
图中：
A表示：
当接收到preambles的第一个FF时，进入“等待开始接收”状态。
B表示：
当接收到的preambles中FF的个数大于1，且接收到有效的delimiter时，则设置收到信息帧的类型，并进入“接收数据”状态。
C表示：
在“接收数据”状态接收数据，如果有错，则置相应错误状态位，并继续接收完。
D表示：
按信息帧的字节数（byte-count）接收完毕后，进入“等待结束接收”状态。
E表示：
在“等待开始接收”状态收到FF，则把preambles的个数加1，然后继续接收。
F表示：
当字符间隔GAP超时，奇校验出错，或收到既不是preambles也不是delimiter的字符时，则置错误状态，并进入“等待结束接收”状态。
G表示：
当接收允许被禁止时，进入“结束接收”的终止状态。
发送状态机如图2.9所示。
在“初始化发送”状态，启动握手信号，与链路上的另一端接收状态机建立通信联系。
一旦物理层允许发送，则进入“发送数据”状态发送数据。
每传送一个字节的数据，物理层上就收到一个确认。
当数据发送完毕时，或发送有错时，进入结束发送的终止状态。
请求发送，并进入“初始化发送”状态。
允许发送，并进入“发送数据”状态。
数据正常发送完毕，进入“结束发送”状态。
数据发送有错，进入“结束发送”状态。
图1.9发送状态机图
2.3HART协议的命令层
HART命令层规定了HART通讯命令的内容，共分为三类。
通用命令，普通应用命令和特殊命令，分别介绍如下。
2.3.1通用命令
第一类命令为通用命令，对所有符合HART协议的现场设备都适用。
它们包括：
读出制造厂及产品型号；
读出主变量及单位；
读出电流的输出及百分比输出；
读出最多4个预先定义的动态变量名；
读出或写入8个字符的标牌号，16个字符的描述内容
以及日期等；
读出或写入32个字符信息；
读出变送器的量程、单位以及阻尼时间常数；
读出传感器串联数目及其限制；
读出或写入最后组装数目；
写入轮询地址；
等等。
2.3.2普通应用命令
第二类命令为普通应用命令，适用于大部分符合HART协议的产品，但不同公司的HART产品可能会有少量区别，如写主变量单位，微调DA的零点和增益等。
主要包括：
读出最多4个动态变量的选择；
写入阻尼时间常数；
写入变送器量程；
标定（设置零点和量程）；
完成自检；
完成主机复位；
微调主变量零点；
写入主变量单位；
微调DAC的零点和增益；
写入变送功能（开方/线性）；
写入传感器串联数目；
读出或写入动态变量赋值；
等等。
以上两类命令的规定使符合HART协议的产品具有一定的互换性。
通常说的HART协议产品的兼容就是在这两类命令上的兼容。
2.3.3特殊命令
第三类命令为变送器特殊命令，仅适用于某种具体的现场设备。
这是各家公司的产品自己所特有的命令，不互相兼容，如特征化，微调传感头校正等。
主要命令包括：
读出或写入开方小流量截断值；
启动、停止或清除累积器；
选择主变量（质量流量或密度）；
读出或写入组态信息资料；
微调传感器的标定；
在本课题中，有以下几个特殊命令：
CMD#128读传感器的材料、所充液体等的信息以及读线性微调全调时的高、低微调数值。
CMD#129写传感器的材料、所充液体等的信息
CMD#130写传感器线性微调的全调的上限值
CMD#131写传感器线性微调的全调的下限值
CMD#132写传感器的类型和测量范围号
CMD#133传感器特征化命令
第二章现场总线协议简介
2.1概论
自从现场总线的思想诞生以来，各家公司和各组织开发了许多种用于工业现场仪表和控制室之间的数字通信协议。
严格的来说，只有在最近通过的IEC61158标准中包含的总线协议才可以称为“Fieldbus”现场总线。
据有关组织统计，现在有一定市场的总线约有四十几种。
这些总线标准根据各自的市场定位，在协议的复杂程度，报文长度，通信速率，容错性，总线的访问仲裁等方面有比较大的差距。
有些协议基本上是瞄准同一应用市场的，如Profibus-PA，FF，WorldFIP。
其中有些总线协议是某公司的专利，如Lonworks；
而有些是开放性的协议，如FF，P-NET等，大多数通信协议都是公开的。
2.2基金会现场总线（FF）协议
现场总线基金会于1996年推出了FF协议1.0版。
FF协议的特点是面向过程控制工业本质安全和二线制传输的要求，注重不同厂商设备具有完全的互操作性，即不损失任何功能的互操作性。
在协议上，它在七层协议上增加了用户层（UserLayer），从而奠定了将控制进一步分散到现场，组成分布式应用的基础。
下面就比较深入的介绍这一协议。
2.2.1概论
FF基于ISO开放式系统互联网络（OSI，Opensysteminterconnection）作为参考模型制订，由于现场总线是一种局域网，因而可以省略网络化传输层。
为了使通信模型简单，提高通信效率，FF采用了其中的第1、2、7层，在七层外另外增加了用户层。
下图是ISOOSI7层模型与FF通信协议关系[61]：
FF为了增强现场总线的功能，也为了不同厂商的系统、仪表具有更高层次的可互操行性，FF协议在七层外另外增加了用户层。
OSI七层模型并非十全十美，在网络管理和流量控制等方面并不是很完善。
FF因而增加了网络管理部分。
下面是FF协议的结构图。
图2.3：
FF系统结构图
FF不仅仅是一项通信技术，还是一项系统技术。
它的技术内容包括以下几部分：
1）FF通信技术。
包括FF的通信模型、服务的定义、通信协议、网络管理和系统管理技术。
2）标准化的功能块（FunctionBlock）和功能块应用进程（FunctionBlockApplicationProcess）技术。
功能块应用过程提供了一个框架，它将控制系统中常用的功能定义为功能块，通过功能块之间的连接组成控制算法回路。
每个功能块具有类似的数据结构、处理流程，和一致的参数访问方法、输入输出接口。
功能块技术便于不同制造商的产品组合在同一个控制系统中使用。
功能块应用过程的通用结构是实现开放系统构架的基础。
3）设备描述（DeviceDescription）技术。
为了实现现场总线设备的互操作性，FF采用了设备描述技术。
设备描述语言（DeviceDescriptionLanguage）是现场设备向控制系统描述它的资源和调用资源方法的标准语言。
4）系统测试技术。
包括通信系统的一致性与可互操作性测试技术。
一致性和可互操作性测试是为保证系统的开放性而采取的重要措施。
以下将分别介绍协议的主要内容。
2.2.2FF物理层
FF的物理层遵循IEC61158-2标准。
物理层规定了传输媒体和传输速率、传输距离、信号编码方式、供电方式、网络拓扑结构等[63]。
FF物理层定义了两种规范：
H1和H2。
H1标准支持总线供电和独立供电方式两种方式，即现场设备可以直接从现场总线获取电源。
H1现场总线支持本质安全系统标准，可以在安全区的电源与危险区内的本安设备之间设置本安安全栅，限制流入危险场所的最大电流、电压。
H1的传输速度为31.25Kbit/s，传输距离根据应用的导线媒体的差异有所不同，最大传输距离为1900米。
每段现场总线最多连接32台设备，最多采用四个中继器。
H1现场总线规定了3种传输介质：
双绞线、光纤和射频。
网络拓扑结构为总线型或树型。
H1用于过程控制等应用场合。
H1总线的直流供电电压范围为9-32VDC，但是在本安应用中，电压范围应视绝缘层额定值而定。
H2总线标准主要面向制造业，高速工厂自动化，高级过程控制。
原先的H2标准已废除，目前采用以高速以太网为基础的HSE协议标准，最终标准即将发布。
H1与H2之间采用网桥相连。
FF物理层编码方式
物理层编码采用曼彻斯特双相–L同步技术。
曼彻斯特编码是一种自同步编码，接收方可以从接收波形中解码数据和时钟。
负跳变为编码“1”，正跳变为编码“0”。
下面给出它的示意图。
图2.4：
曼彻斯特编码波形
FF采用同步通信的方式。
物理层在数据链路层产生的数据报文上增加物理层帧头、帧尾。
包括：
前导码–通信信号最前端的8位二进制数（10101010）；
帧前定界码-标明帧信息的起点（1N+N-10N-N+0）；
帧结束码-标明帧信息的结束：
（1N+N-N+N-101）。
现场设备类别
根据设备是否为总线供电，是否可用于易燃易爆危险场合，和通信信号的区别，符合H1规范的设备分类情况如表2.1所示：
表格2.1：
H1规范的设备分类
标准信号
低功耗信号
总线供电
单独供电
本质安全型
111
112
121
122
非本质安全型
113
114
123
124
下表为总线供电的本安型设备111型的推荐参数：
表格2.2：
本安型设备111型的推荐参数
参数
设备允许电压
设备允许电流
设备输入电源
设备残余容抗
设备残余感抗
推荐值
最小24V
最小250mA
1.2W
<
5nF
20μH
网络拓扑
网络拓扑结构为总线型或树型。
从有无网桥的角度来分，可以分为单网段拓扑和桥接网络拓扑。
单网段拓扑结构网络没有网桥，桥接网络拓扑有一个以上的网桥。
FF协议规定任意两个现场仪表之间只能有一条通路，因而采用网桥的网络拓扑结构只能为树状网络，而不能为“图”等结构。
如图所示：
网段0
Port
Rootports
根网桥
网段1
网段2
Downstream
ports
网段3
网段4
图2.5：
桥接网络拓扑
网桥有一个以上的媒体访问端口，在图中用“Port”来表示。
有一个网桥为“树”的根，称为“根网桥”。
由于FF没有包含路由选择的功能，因而网桥端
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