HART报文详解
1.简介
HART（Highway Addressable Remote Transducer可寻址远程传感器高速通道）协议，主要用于工业自动化领域的通信协议，专为发送和接收数字信息而设计，同时也支持模拟信号（如4-20 mA信号）的传输。这种设计使得HART设备能够同时传输模拟信号和数字数据，从而提供了更加灵活和强大的通信能力。
标准的HART传输是叠加在4-20mA信号上的FSK(移动键控)信号，替代方案是C8PSK(同调8路相移键控)信号，代替方案提高了HART的数字传输速率。此外还有一些基于RS-485、IP、TDMA的HART通讯方式，在此不再赘述。
本文仅讨论HART FSK。
2.报文格式
2.1 HART字节
因为HART协议有自己独特的物理层通讯方式，所以其在数据链路层上的传输采用一个被称为HART字节组的传输方式，每次传输会发送一个11位的HART字节，多个HART字节中的数据部分组合成一个有效的HART数据帧。（这个过程可以不准备的类比成一长串数据通过多个TCP/IP数据包发送的过程）
HART字节的格式如下：
| 用途 | 开始位 | HART字节 | 奇校验位 | 停止位 |
|---|---|---|---|---|
| 长度 | 1bit | 8bit | 1bit | 1bit |
| 描述 | 固定为0，表示开始 | HART数据，从LSB（最低有效位）开始，以MSB（最高有效位）结束。 | 用于校验数据 | 固定为1，表示结束 |
2.2HART报文格式
结构如下：
| 用途 | 长度 | 描述 |
|---|---|---|
| 前导码 | 5-20字节 | 5-20个0xFF，用于传输的开始， |
| 起始字节 | 1字节 | 用来标识数据包的起始位置 |
| 地址 | 1或5字节 | 包含了主机地址和从机地址，短帧中占1字节，长帧中占5字节 |
| 扩展 | 0-3字节 | 用于潜在的扩展，长度由其实字节指示 |
| 命令 | 1字节 | 表示这条数据的作用 |
| 字节计数 | 1字节 | 状态和数据部分的大小，单位：字节 |
| 状态 | 2字节 | 只存在于从机响应主机的消息，报告错误和状态 |
| 数据 | 0-253字节 | 不是所有的命令都有数据字节，用于存放数据 |
| 校验和 | 1字节 | 纵向奇偶校验，用于检测错误 |
2.2.1 前导码
前导码出现在每条消息的开头。前导码由一系列相同的字节组成，通常是连续的"FF"字节（在二进制中为11111111）。前导码的主要作用包括几个方面：
-
同步：前导码为接收设备提供了同步信号，帮助接收设备确定数据帧的开始位置。通过识别这一系列重复的模式，接收端的解码器可以与发送端的数据流同步，从而正确地解读后续传来的信息（比如起始位、地址、命令、数据等）。
-
清除线路：连续的前导码有助于清除通信线路上的任何噪声或干扰，确保数据传输的清晰度和准确性。这种"清道"的作用对于在现场环境中运行的工业设备尤其重要，因为这些环境往往充满电磁干扰。
-
接收器准备：前导码还给接收设备足够的时间来准备接收即将到来的数据。在HART通信中，接收设备（如处理器或控制器）需要调整其接收机制以准确解码即将到来的信息。前导码的存在为这种调整提供了缓冲时间。
2.2.2 起始字节
结构：
| 用途 | 地址类型 | 扩展字节数 | 物理层类型 | 帧类型 |
|---|---|---|---|---|
| 长度 | 1bit | 2bit | 2bit | 3bit |
| 描述 | 0：轮询 - 字节地址（短帧） 1：唯一 - 字节地址（长帧） |
通常为00 | 00：异步（例如，FSK） 11：同步（例如，C8PSK |
001：突发帧响应 010：主机到现场设备 110：现场设备到主机 |
2.2.3 地址
地址部分，1字节为短帧，5字节为长帧。
短帧：
| 用途 | 主机序 | 突发模式 | 空 | 设备地址 |
|---|---|---|---|---|
| 长度 | 1bit | 1bit | 2bit | 4bit |
| 描述 | 1：第一主机 0：第二主机 |
1：是 0：否 |
始终为00 |
长帧：
| 用途 | 主机序 | 突发模式 | 扩展的设备类型 | 设备ID |
|---|---|---|---|---|
| 长度 | 1bit | 1bit | 14bit | 24bit |
| 描述 | 1：第一主机 0：第二主机 |
1：是 0：否 |
2.2.4 扩展
扩展部分主要为未来预留，它主要规划了以下方面的作用：
- 设备识别和分类：扩展字段允许对连接到系统的设备进行更详细的识别和分类。通过这些字段，系统可以识别设备的类型、制造商和其他相关信息。这对于系统配置和故障排除非常有用。
- 增强的设备信息：一些扩展字段用于存储有关设备性能、功能和配置选项的额外信息。这使得操作者可以更准确地控制设备，同时优化系统的整体性能。
- 改进的诊断能力：扩展字段可以包含有关设备状态和健康的详细信息，使得对设备进行远程监控和诊断成为可能。这有助于提前发现问题，减少系统停机时间。
- 更高的数据传输效率：通过利用扩展字段传输数据，HART协议能够在保持向后兼容的同时，提供更高的数据传输效率和更大的数据容量。
- 支持新技术和功能：随着过程控制技术的发展，新的监测和控制需求不断出现。扩展字段为支持这些新技术和功能提供了可能，确保了HART协议的长期适用性和灵活性。
2.2.5 命令
命令分为三种类别：通用、常用实践（也译作常见做法）、设备特定（专用命令），通用命令即所有采用HART协议的设备都要遵循的，常用实践为常见设备都要遵循的，特备特定为针对某些厂家或型号的设备才有的命令。
机翻自HART通信基金会官网
| 命令编号 | 命令描述 | 类型 |
|---|---|---|
| 0 | 读取设备ID | 通用 |
| 1 | 读取主要变量 | 通用 |
| 2 | 读取回路电流和量程百分比 | 通用 |
| 3 | 读取动态变量和回路电流 | 通用 |
| 6 | 写入轮询地址 | 通用 |
| 7 | 读取回路配置 | 通用 |
| 8 | 读取动态变量分类 | 通用 |
| 9 | 带状态读取设备变量 | 通用 |
| 11 | 读取与标签关联的唯一标识符 | 通用 |
| 12 | 读取信息 | 通用 |
| 13 | 读取标签、描述符、日期 | 通用 |
| 14 | 读取主要变量传感器信息 | 通用 |
| 15 | 读取设备信息 | 通用 |
| 16 | 读取最终组装号 | 通用 |
| 17 | 写信息 | 通用 |
| 18 | 写标签、描述符、日期 | 通用 |
| 19 | 写最终组装号 | 通用 |
| 20 | 读取长标签 | 通用 |
| 21 | 读取与长标签关联的唯一标识符 | 通用 |
| 22 | 写长标签 | 通用 |
| 38 | 重置配置更改标志 | 通用 |
| 48 | 读取额外的设备状态 | 通用 |
| 33 | 读取设备变量 | 常用实践 |
| 34 | 写主要变量阻尼值 | 常用实践 |
| 35 | 写主要变量量程值使用命令35写入的数据将更新菜单中的4mA和20mA设置 | 常用实践 |
| 36 | 设置主要变量上限量程值 | 常用实践 |
| 37 | 设置主要变量下限量程值 | 常用实践 |
| 40 | 进入/退出固定电流模式 | 常用实践 |
| 41 | 执行自检 | 常用实践 |
| 44 | 写主要变量单位 | 常用实践 |
| 45 | 调整回路电流零点 | 常用实践 |
| 46 | 调整回路电流增益 | 常用实践 |
| 47 | 写主要变量传递函数 | 常用实践 |
| 54 | 读取设备变量信息 | 常用实践 |
| 59 | 写响应前导符数量 | 常用实践 |
| 71 | 锁定设备 | 常用实践 |
| 76 | 读取设备锁定状态 | 常用实践 |
| 140 | 写入场统计信息 覆盖设备记录的最大值和最小值 | 设备特定 |
| 141 | 读取场统计信息 从设备读取当前的最大值和最小值 | 设备特定 |
| 144 | 写开关1配置 写入开关1模式、设定点、死区、锁存设置、延迟设置 | 设备特定 |
| 145 | 读开关1配置 读取开关1模式、设定点、死区、锁存设置、延迟设置 | 设备特定 |
| 221 | 启用/禁用写保护，修改密码 允许启用/禁用写保护模式并允许编辑设备密码 | 设备特定 |
| 222 | 读、写保护状态 读取设备的写保护状态 | 设备特定 |
| 223 | 写入跳闸计数器 向与开关1和开关2关联的跳闸计数器写入一个0 – 9999之间的无符号16位整数 | 设备特定 |
| 224 | 切换 1和2 读取与开关1和开关2关联的跳闸计数器的值，该数值为一个0 – 9999之间的无符号16位整数 | 设备特定 |
| 225 | 手动重置 重置一个或多个处于锁存状态的开关 | 设备特定 |
| 226 | 读取开关锁存状态 读取一个或多个开关的锁存状态 | 设备特定 |
| 244 | 写开关2配置 写入开关2模式、设定点、死区、锁存设置、延迟设置 | 设备特定 |
| 245 | 读开关2配置 读取开关2模式、设定点、死区、锁存设置、延迟设置 | 设备特定 |
| 246 | 写堵塞端口设置 | 设备特定 |
| 247 | 读堵塞端口设置 | 设备特定 |
| 248 | 写偏移和量程 | 设备特定 |
| 249 | 读偏移和量程 | 设备特定 |
2.2.6 状态
状态分1个字节的响应码和1个字节的设备状态码。
2.2.6.1 响应码
正常通讯时，最高bit为0，响应码为：
| 响应码 | 含义 |
|---|---|
| 0x00 | 执行成功 |
| 0x02 | 错误的命令 |
| 0x03 | 设置参数太大 |
| 0x04 | 设置参数太少 |
| 0x05 | 接收的数据太少 |
| 0x06 | 专用命令错 |
| 0x07 | 处于写保护模式 |
| 0x08 | 1、更新失败2、设置为接近值3、延时响应 |
| 0x09 | 1、低限范围值太大2、不正确的电流模式 |
| 0x0a | 1、低限范围值太小2、无效的就地锁定 |
| 0x0b | 1、上限范围值太大2、多从机模式3、无效设备变量代码4、调整超范围5、不能就地锁定 |
| 0x0c | 1、上限范围值太小2、无效单位代码3、无效的模式选择4、无效的插槽号 |
| 0x0d | 1、上、下限范围值超标2、计算错误3、无效的命令号 |
| 0x0e | 1、量程太小2、设置的下限值引起上限值改变而超出传感器极限 |
| 0x0f | 无效的模拟通道号 |
| 0x10 | 访问受限 |
| 0x11 | 无效的设备变量索引 |
| 0x12 | 无效的单位代码 |
| 0x13 | 设备变量的应用不合理 |
| 0x14 | 无效的扩展命令号 |
| 0x1c | 不支持的单位代码 |
| 0x20 | 忙 |
| 0x21 | 延迟响应开始 |
| 0x22 | 延迟响应进行中 |
| 0x40 | 命令不能执行 |
通讯故障时，最高位bit为1，响应码为：
| 响应码 | 含义 |
|---|---|
| 0xc0 | 接收字节字节奇校验出错 |
| 0xa0 | 接收缓冲区数据覆盖错 |
| 0x90 | 没有接收到停止位出错 |
| 0x88 | 校验字节出错 |
| 0x82 | 接收缓冲区溢出 |
具体含义受不同命令影响，想见基金会资料。
2.2.6.2 设备状态码
| 状态码 | 含义 |
|---|---|
| 0x80 | 设备故障 |
| 0x40 | 配置参数改变 |
| 0x20 | 设备冷启动 |
| 0x08 | 环路电流固定模式 |
| 0x04 | 环路电流饱和 |
| 0x02 | 设备变量（没有映射到主变量）超限 |
| 0x01 | 主变量超出极限 |
2.2.7 数据
数据部分格式取决于命令的不同，均由不同的命令定义。
