1.簡介
HART（Highway Addressable Remote Transducer可定址遠端感測器高速通道）協議，主要用於工業自動化領域的通訊協議，專為傳送和接收數字資訊而設計，同時也支援模擬訊號（如4-20 mA訊號）的傳輸。這種設計使得HART裝置能夠同時傳輸模擬訊號和數字資料，從而提供了更加靈活和強大的通訊能力。
標準的HART傳輸是疊加在4-20mA訊號上的FSK(移動鍵控)訊號，替代方案是C8PSK(同調8路相移鍵控)訊號，代替方案提高了HART的數字傳輸速率。此外還有一些基於RS-485、IP、TDMA的HART通訊方式，在此不再贅述。
本文僅討論HART FSK。
2.報文格式
2.1 HART位元組
因為HART協議有自己獨特的物理層通訊方式，所以其在資料鏈路層上的傳輸採用一個被稱為HART位元組組的傳輸方式，每次傳輸會傳送一個11位的HART位元組，多個HART位元組中的資料部分組合成一個有效的HART資料幀。（這個過程可以不準備的類比成一長串資料透過多個TCP/IP資料包傳送的過程）
HART位元組的格式如下：
| 用途 | 開始位 | HART位元組 | 奇校驗位 | 停止位 |
|---|---|---|---|---|
| 長度 | 1bit | 8bit | 1bit | 1bit |
| 描述 | 固定為0，表示開始 | HART資料，從LSB（最低有效位）開始，以MSB（最高有效位）結束。 | 用於校驗資料 | 固定為1，表示結束 |
2.2HART報文格式
結構如下：
| 用途 | 長度 | 描述 |
|---|---|---|
| 前導碼 | 5-20位元組 | 5-20個0xFF，用於傳輸的開始， |
| 起始位元組 | 1位元組 | 用來標識資料包的起始位置 |
| 地址 | 1或5位元組 | 包含了主機地址和從機地址，短幀中佔1位元組，長幀中佔5位元組 |
| 擴充套件 | 0-3位元組 | 用於潛在的擴充套件，長度由其實位元組指示 |
| 命令 | 1位元組 | 表示這條資料的作用 |
| 位元組計數 | 1位元組 | 狀態和資料部分的大小，單位：位元組 |
| 狀態 | 2位元組 | 只存在於從機響應主機的訊息，報告錯誤和狀態 |
| 資料 | 0-253位元組 | 不是所有的命令都有資料位元組，用於存放資料 |
| 校驗和 | 1位元組 | 縱向奇偶校驗，用於檢測錯誤 |
2.2.1 前導碼
前導碼出現在每條訊息的開頭。前導碼由一系列相同的位元組組成，通常是連續的"FF"位元組（在二進位制中為11111111）。前導碼的主要作用包括幾個方面：
-
同步：前導碼為接收裝置提供了同步訊號，幫助接收裝置確定資料幀的開始位置。透過識別這一系列重複的模式，接收端的解碼器可以與傳送端的資料流同步，從而正確地解讀後續傳來的資訊（比如起始位、地址、命令、資料等）。
-
清除線路：連續的前導碼有助於清除通訊線路上的任何噪聲或干擾，確保資料傳輸的清晰度和準確性。這種"清道"的作用對於在現場環境中執行的工業裝置尤其重要，因為這些環境往往充滿電磁干擾。
-
接收器準備：前導碼還給接收裝置足夠的時間來準備接收即將到來的資料。在HART通訊中，接收裝置（如處理器或控制器）需要調整其接收機制以準確解碼即將到來的資訊。前導碼的存在為這種調整提供了緩衝時間。
2.2.2 起始位元組
結構：
| 用途 | 地址型別 | 擴充套件位元組數 | 物理層型別 | 幀型別 |
|---|---|---|---|---|
| 長度 | 1bit | 2bit | 2bit | 3bit |
| 描述 | 0：輪詢 - 位元組地址（短幀） 1：唯一 - 位元組地址（長幀） |
通常為00 | 00：非同步（例如，FSK） 11：同步（例如，C8PSK |
001：突發幀響應 010：主機到現場裝置 110：現場裝置到主機 |
2.2.3 地址
地址部分，1位元組為短幀，5位元組為長幀。
短幀：
| 用途 | 主機序 | 突發模式 | 空 | 裝置地址 |
|---|---|---|---|---|
| 長度 | 1bit | 1bit | 2bit | 4bit |
| 描述 | 1：第一主機 0：第二主機 |
1：是 0：否 |
始終為00 |
長幀：
| 用途 | 主機序 | 突發模式 | 擴充套件的裝置型別 | 裝置ID |
|---|---|---|---|---|
| 長度 | 1bit | 1bit | 14bit | 24bit |
| 描述 | 1：第一主機 0：第二主機 |
1：是 0：否 |
2.2.4 擴充套件
擴充套件部分主要為未來預留，它主要規劃了以下方面的作用：
- 裝置識別和分類：擴充套件欄位允許對連線到系統的裝置進行更詳細的識別和分類。透過這些欄位，系統可以識別裝置的型別、製造商和其他相關資訊。這對於系統配置和故障排除非常有用。
- 增強的裝置資訊：一些擴充套件欄位用於儲存有關裝置效能、功能和配置選項的額外資訊。這使得操作者可以更準確地控制裝置，同時最佳化系統的整體效能。
- 改進的診斷能力：擴充套件欄位可以包含有關裝置狀態和健康的詳細資訊，使得對裝置進行遠端監控和診斷成為可能。這有助於提前發現問題，減少系統停機時間。
- 更高的資料傳輸效率：透過利用擴充套件欄位傳輸資料，HART協議能夠在保持向後相容的同時，提供更高的資料傳輸效率和更大的資料容量。
- 支援新技術和功能：隨著過程控制技術的發展，新的監測和控制需求不斷出現。擴充套件欄位為支援這些新技術和功能提供了可能，確保了HART協議的長期適用性和靈活性。
2.2.5 命令
命令分為三種類別：通用、常用實踐（也譯作常見做法）、裝置特定（專用命令），通用命令即所有采用HART協議的裝置都要遵循的，常用實踐為常見裝置都要遵循的，特備特定為針對某些廠家或型號的裝置才有的命令。
機翻自HART通訊基金會官網
| 命令編號 | 命令描述 | 型別 |
|---|---|---|
| 0 | 讀取裝置ID | 通用 |
| 1 | 讀取主要變數 | 通用 |
| 2 | 讀取回路電流和量程百分比 | 通用 |
| 3 | 讀取動態變數和迴路電流 | 通用 |
| 6 | 寫入輪詢地址 | 通用 |
| 7 | 讀取回路配置 | 通用 |
| 8 | 讀取動態變數分類 | 通用 |
| 9 | 帶狀態讀取裝置變數 | 通用 |
| 11 | 讀取與標籤關聯的唯一識別符號 | 通用 |
| 12 | 讀取資訊 | 通用 |
| 13 | 讀取標籤、描述符、日期 | 通用 |
| 14 | 讀取主要變數感測器資訊 | 通用 |
| 15 | 讀取裝置資訊 | 通用 |
| 16 | 讀取最終組裝號 | 通用 |
| 17 | 寫資訊 | 通用 |
| 18 | 寫標籤、描述符、日期 | 通用 |
| 19 | 寫最終組裝號 | 通用 |
| 20 | 讀取長標籤 | 通用 |
| 21 | 讀取與長標籤關聯的唯一識別符號 | 通用 |
| 22 | 寫長標籤 | 通用 |
| 38 | 重置配置更改標誌 | 通用 |
| 48 | 讀取額外的裝置狀態 | 通用 |
| 33 | 讀取裝置變數 | 常用實踐 |
| 34 | 寫主要變數阻尼值 | 常用實踐 |
| 35 | 寫主要變數量程值使用命令35寫入的資料將更新選單中的4mA和20mA設定 | 常用實踐 |
| 36 | 設定主要變數上限量程值 | 常用實踐 |
| 37 | 設定主要變數下限量程值 | 常用實踐 |
| 40 | 進入/退出固定電流模式 | 常用實踐 |
| 41 | 執行自檢 | 常用實踐 |
| 44 | 寫主要變數單位 | 常用實踐 |
| 45 | 調整迴路電流零點 | 常用實踐 |
| 46 | 調整迴路電流增益 | 常用實踐 |
| 47 | 寫主要變數傳遞函式 | 常用實踐 |
| 54 | 讀取裝置變數資訊 | 常用實踐 |
| 59 | 寫響應前導符數量 | 常用實踐 |
| 71 | 鎖定裝置 | 常用實踐 |
| 76 | 讀取裝置鎖定狀態 | 常用實踐 |
| 140 | 寫入場統計資訊 覆蓋裝置記錄的最大值和最小值 | 裝置特定 |
| 141 | 讀取場統計資訊 從裝置讀取當前的最大值和最小值 | 裝置特定 |
| 144 | 寫開關1配置 寫入開關1模式、設定點、死區、鎖存設定、延遲設定 | 裝置特定 |
| 145 | 讀開關1配置 讀取開關1模式、設定點、死區、鎖存設定、延遲設定 | 裝置特定 |
| 221 | 啟用/禁用防寫，修改密碼 允許啟用/禁用防寫模式並允許編輯裝置密碼 | 裝置特定 |
| 222 | 讀、防寫狀態 讀取裝置的防寫狀態 | 裝置特定 |
| 223 | 寫入跳閘計數器 向與開關1和開關2關聯的跳閘計數器寫入一個0 – 9999之間的無符號16位整數 | 裝置特定 |
| 224 | 切換 1和2 讀取與開關1和開關2關聯的跳閘計數器的值，該數值為一個0 – 9999之間的無符號16位整數 | 裝置特定 |
| 225 | 手動重置 重置一個或多個處於鎖存狀態的開關 | 裝置特定 |
| 226 | 讀取開關鎖存狀態 讀取一個或多個開關的鎖存狀態 | 裝置特定 |
| 244 | 寫開關2配置 寫入開關2模式、設定點、死區、鎖存設定、延遲設定 | 裝置特定 |
| 245 | 讀開關2配置 讀取開關2模式、設定點、死區、鎖存設定、延遲設定 | 裝置特定 |
| 246 | 寫堵塞埠設定 | 裝置特定 |
| 247 | 讀堵塞埠設定 | 裝置特定 |
| 248 | 寫偏移和量程 | 裝置特定 |
| 249 | 讀偏移和量程 | 裝置特定 |
2.2.6 狀態
狀態分1個位元組的響應碼和1個位元組的裝置狀態碼。
2.2.6.1 響應碼
正常通訊時，最高bit為0，響應碼為：
| 響應碼 | 含義 |
|---|---|
| 0x00 | 執行成功 |
| 0x02 | 錯誤的命令 |
| 0x03 | 設定引數太大 |
| 0x04 | 設定引數太少 |
| 0x05 | 接收的資料太少 |
| 0x06 | 專用命令錯 |
| 0x07 | 處於防寫模式 |
| 0x08 | 1、更新失敗2、設定為接近值3、延時響應 |
| 0x09 | 1、低限範圍值太大2、不正確的電流模式 |
| 0x0a | 1、低限範圍值太小2、無效的就地鎖定 |
| 0x0b | 1、上限範圍值太大2、多從機模式3、無效裝置變數程式碼4、調整超範圍5、不能就地鎖定 |
| 0x0c | 1、上限範圍值太小2、無效單位程式碼3、無效的模式選擇4、無效的插槽號 |
| 0x0d | 1、上、下限範圍值超標2、計算錯誤3、無效的命令號 |
| 0x0e | 1、量程太小2、設定的下限值引起上限值改變而超出感測器極限 |
| 0x0f | 無效的模擬通道號 |
| 0x10 | 訪問受限 |
| 0x11 | 無效的裝置變數索引 |
| 0x12 | 無效的單位程式碼 |
| 0x13 | 裝置變數的應用不合理 |
| 0x14 | 無效的擴充套件命令號 |
| 0x1c | 不支援的單位程式碼 |
| 0x20 | 忙 |
| 0x21 | 延遲響應開始 |
| 0x22 | 延遲響應進行中 |
| 0x40 | 命令不能執行 |
通訊故障時，最高位bit為1，響應碼為：
| 響應碼 | 含義 |
|---|---|
| 0xc0 | 接收位元組位元組奇校驗出錯 |
| 0xa0 | 接收緩衝區資料覆蓋錯 |
| 0x90 | 沒有接收到停止位出錯 |
| 0x88 | 校驗位元組出錯 |
| 0x82 | 接收緩衝區溢位 |
具體含義受不同命令影響，想見基金會資料。
2.2.6.2 裝置狀態碼
| 狀態碼 | 含義 |
|---|---|
| 0x80 | 裝置故障 |
| 0x40 | 配置引數改變 |
| 0x20 | 裝置冷啟動 |
| 0x08 | 環路電流固定模式 |
| 0x04 | 環路電流飽和 |
| 0x02 | 裝置變數（沒有對映到主變數）超限 |
| 0x01 | 主變數超出極限 |
2.2.7 資料
資料部分格式取決於命令的不同，均由不同的命令定義。