1 引言
hart(highway addressable remote transducer，可定址遠端感測器通路)通訊協議用於為過程控制裝置提供與可定址現場儀表通訊的服務，被認為是事實上的工業標準。儘管hart只是現場匯流排的過渡性協議(hart協議支援雙向數字通訊，並與4~20ma模擬控制訊號相容，而現場匯流排技術強調完全數位化)，但由於目前4~20ma標準仍廣泛使用，以及受即得利益驅使dcs製造商繼續維持其產品，hart技術將維持相當長的生命期。為此，關於hart產品的研究開發目前仍具有重要的工程意義。
位於工業控制系統底層的現場儀表包括變送器，執行器，**分析儀等檢測儀表。現場儀表經歷了模擬式到智慧型化的發展階段，匯流排化成為對現場儀表的新要求。通訊功能則是現場儀表匯流排化的最基本要求，從而使dcs通訊網路擴充套件到現場儀表級。
本文著重研究了開發符合hart協議的現場儀表通訊卡的重要技術問題一從/陣發裝置鏈路層協議及其軟體實現方法。
2 hart從/陣發裝置鏈路層協議分析
hart通訊協議的體系結構，採用0si參考模型結構中的3層：物理層，(資料)鏈路層和應用層。hart訊號傳輸採用bell202標準移頻鍵控(fsk)技術，通訊速率為120obit/s，最大通訊距離為3000m。
鏈路層按確定的規程，完成資料在網路站點問正確接收或傳送(與物理層的介面是半雙工的)。hart幀由前導碼，起始定界符，位址，狀態，資料以及校驗和等字段組成。hart是主從式協議，通訊由主裝置發起，即發出請求(指令)，被訪問的從裝置(即現場儀表)負責解悻指令並返回對指令的響應。
應用層支援針對現場儀表執行和管理的hart指令集。基於hart協議的現場控制網路，如圖1(如果多個現場儀表接入同一匯流排，則不再使用模擬訊號作輸出)。
hart在鏈路層所要解決的重要技術問題是介質訪問控制。hart的介質訪問控制本質是上一種令牌匯流排技術，它的最大優點是保證資料在匯流排上傳輸時不發生衝突(只是取得令牌，才有權發起通訊)，同時保證在限定時間內任一站點可以取得鏈路控制權。hart的令牌是隱含的，即沒有「令牌幀」的存在，而是定義了與令牌作用相似的時限(定時)規則。
從裝置可以被主裝置組態為陣發模式(burstmode)，即自動執行某一特定指令並給出響應無需得到請求，只有在此模式下從裝置可以發起通訊，從而可能引起與主裝置間對鏈路控制權的爭用，否則從裝置持續非活動(等待)狀態，僅能對請求作出響應。同一鏈路上只能有乙個陣發模式從裝置與主裝置，包括乙個第一主裝置和乙個第二主裝置，同時存在，如圖2。
主裝置和從裝置在鏈路通訊中所承擔的任務有所不同。作為從裝置，現場儀表執行hart從/陣發裝置鏈路層協議。現場儀表通訊卡需要為以下幾種時限設定定時器：
從裝置時限tt0(256ms)，它是系統中其它時限的基準，即從裝置對接收到的請求給出響應或陣發模式從裝置作出陣發響應的最大允許時間；陣發傳送延遲bt；載波監聽延遲cd(16ms)和uart序列化/解序列化延遲gap(22ms)。bt是可變的，陣發模式裝置，通過檢測鏈路上的資料型別，決定bt的取值；若為請求幀，則bt置為傳輸時限rt1(305ms)，即主裝置發出請求後等待收到響應的最大允許時間；若為響應幀，則bt置0，即立即執行陣發。若在一次陣發傳送後，則bt被首先置為鏈路授權時限rt2(75ms)。
上述機制相當於鏈路仲裁。
以下對hart介質訪問控制作簡要分析說明。假設圖2邏輯環上的三個站點都是活動的。以令牌的角度，如果陣發裝置取得令牌，則令牌的傳遞次序為：
陣發裝置，第二(一)主裝置，陣發裝置，第一(二)主裝置，陣發裝置。以時限的角度，陣發幀發往第一(二)主裝置後，陣發裝置處於rt2的通訊等待。第二(一)主裝置檢測到第一(二)主裝置收到響應或(rt1+rt2)計滿(定時器溢位)，需在時限hold(20ms)內開始發出請求幀至從裝置或陣發裝置，陣發裝置在鏈路上檢測到這個請求幀時，確定陣發傳送被延遲rt1。
陣發裝置持續監聽鏈路直至檢測到第二(一)主裝置獲得響應或rt1計滿，在hold內開始傳送陣發幀至第二(一)主裝置。如果在hold內，裝置不能或沒有作出相關響應，則被認為暫時退出環路，按照令牌的傳遞次序，其後續站將取代它獲得鏈路控制權，只需等待rt2。重新進入環路的裝置，在hold之後需要等待2rt1。
陣發裝置進入或退出環路，還取決於主裝置的組態。網路在啟動時，陣發裝置未能加入邏輯環，此時第一主裝置將先於第二主裝置取得令牌。網路在故障(掉電或出錯等原因)恢復時，陣發裝置的陣發傳送被首先恢復。
3 hart從/陣發裝置鏈路層協議實現
由於hart協議比較簡單以及現場儀表在匯流排供電方式下對通訊卡低功耗的要求，採用mcs-51系列的低功耗微控制器實現hart現場儀表通訊卡。將hart通訊卡設計為乙個受事件驅動的嵌入式實時系統，其軟體以前後台方式執行，後台是乙個迴圈系統，前台是與各種外部事件對應的中斷處理。後台執行主程式，依次執行陣發程式(只有在陣發模式下)，取樣運算等儀表程式，看門狗復位，而後迴圈。
其中的陣發程式流程，如圖3。
考慮到上一節的多種定時要求，設計以乙個物理定時器生成多個「軟時鐘」，其基準定時週期為2ms，設定多個控制標誌，以此進入/退出相應的定時服務。設定波特率發生器。與通訊有關的中斷包括：
通訊定時器溢位中斷，傳送/接收載波中斷（外部中斷）和傳送/接收幀中斷（序列口中斷）。其中傳送。/接收載波的中斷優先順序最高。
傳送/接收載波中斷處理，通過判斷中斷的起因啟動相應的接收或傳送處理。在傳送/接收幀中斷處理，完成接收或傳送hart幀的任務。傳送和接收處理流程，如圖4和圖5。
4 結論
開發符合工業通訊國際規範的產品，以保障產品與來自不同製造商的異種現場儀表實現網路互連，從而促進系統的開放性，裝置間的可互操作性。上述是研究開發協議產品的初衷。
hart協議是公開的，但hart產品的實現仍是其研製單位所持有的專有技術。本文為開發符合hart協議的現場儀表通訊卡所需解決的重要技術問題之一，即實現從/陣發裝置鏈路層協議，特別介質訪問控制，分析理論依據，闡述軟體的實現方法，並已在具體產品的開發中驗證了這一方法的可行性。
HART通訊協議有三種不同的通訊模式
1 點對點模式。同時一根電纜線上傳輸4 20ma dc的模擬訊號和數碼訊號。2 多點模式。一根電纜線上連線多個現場裝置，即全數字通訊模式。3 陣發模式。允許匯流排上單一的從站自動 連續地傳送乙個標準的hart的響應資訊。rs232,rs485,串列埠通訊，modbus profibus協議疑惑 問 ...
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