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1、哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计 题 目：基于HART协议的采暖温控装置硬件设计院 系： 测通学院 测控技术与仪器系 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 学士学位论文基于HART协议的采暖温控装置硬件设计摘 要随着人们对供暖设施的不断要求，随着计算机技术，通信技术的发展，更加智能方便的供暖技术也在不断提高。目前，现场总线已经成为过程控制领域的热点，代表着采暖温控发展的方向。随着现场总线国际标准的完成，现场总线产品以其完善的功能和突出的特点必将为市场所接受。HART协议作为一个开放性的协议，现已成为采暖温控的标准之一。其特点是在现有的模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系
2、统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。在此背景下，本论文所研究的基于HART协议的采暖温控装置的设计为HART协议在采暖温控领域的应用做了一些有益尝试。对HART协议作了一个较为全面的分析，分别介绍了HART协议三个层次（物理层、数据链路层和应用层）的定义和功能。本文根据对HART协议的理解以及自己在实践过程中的总结，在论文中对HART协议实现过程中的一些问题做了更进一步的说明和讨论。在设计方案上，基于对实际需求和应用环境的深入分析，采用了“模块化”和“标准接口”的设计思路，使本HART协议通信系统在对原有设备和线路改动很小的情况下用于对传统采暖
3、温控装置进行升级。本文介绍的内容很多都是在系统的实际研发过程中总结获得的，具有较强的针对性和实用性。关键词 HART协议；温控系统；组成模块Heating temperature control device based on HART protocol designAbstractWith heating facilities requirements, along with the development of computer technology, communication technology, the more intelligent and convenient heating
4、 techniques are constantly improved. At present, the field bus has become a hot area of process control, represents the direction of the heating temperature. With the completion of the international fieldbus standard, fieldbus products with improved features and prominent feature is bound to gain ma
5、rket acceptance. HART protocol as an open protocol, which has become one of the standard heating temperature. Which is characterized by the digital signal communications, belonging to the analog system to a transitional product in the transformation process of the digital system, and thus has a stro
6、ng market competitiveness in the current period of transition, the rapid development in the existing analog signal transmission line.In this context, the heating and temperature control devices studied in this thesis based on HART protocol design to the HART protocol heating temperature field of app
7、lication of some useful attempt. Made a more comprehensive analysis of the HART protocol, introduces the HART protocol definition of three levels (physical layer, data link layer and application layer) and function.Based on the understanding of the HART protocol, as well as a summary of the process
8、of practice, some of the problems of the HART protocol implementation process in the paper made a further explanation and discussion. Design, in-depth analysis based on actual needs and application environment, using modular and standard interface design ideas, the HART protocol communication system
9、 in the case of small changes to the original equipment and wiring used for conventional heating temperature control device upgrade. A lot of content of this paper are summarized in the actual development process of the system obtained, highly targeted and practicality.Keywords HART protocol,Tempera
10、ture control system,Building blocksIII- -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究的目标和意义11.3 采暖温控在国内外的现状21.4 课题研究的内容3第2章 系统设计方案及HART协议简介42.1 总体方案设计42.2 现场总线技术分类及选择42.3 HART协议概述62.4 HART协议模型结构62.5 HART协议的实现分析72.5.1 HART协议网络模式72.5.2 HART协议定时分析82.5.3 设备同步操作分析102.5.4 HART协议命令分析102.5.5 系统工作方式132.6 本章小结13第3
11、章 系统硬件设计143.1 硬件总体设计方案及要求143.2 智能节点硬件设计153.2.1 PIC18F458单片机介绍153.2.2 液晶显示模块设计163.2.3 温度采集模块设计173.2.4 继电器模块设计183.2.5 按键操作模块设计193.3 报警节点硬件设计203.3.1 语音电路模块设计203.3.2 单片机控制中心模块设计213.3.3 DTMF收发电路模块设计223.4 420mA电流环模块223.4.1 AD421芯片介绍及功能分析223.4.2 AD421基本结构和工作原理233.5 HART协议调制解调模块243.6 本章小结25结论26致谢27参考文献28附录
12、英文文献30附录 英文文献翻译41千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行第1章 绪论1.1 课题背景随着国民经济的发展，人民生活水平逐渐步入小康，人们对自己赖以生存和歇息的住宅也开始有了进一步的要求。传统的供暖系统多是以燃煤作为热源，通过加热水给室内供暖。这种供暖系统是国内长期使用的供暖系统，但是它同时也暴露出来一些缺点，如：燃烧后的烟气造成环境空气污染、容易引起煤尘，还会造成能源的大量浪费等等问题。这些问题都督促供暖设计人员改进技术，探求研究新型的系统供暖方法。目前，现场总线已经成为
13、过程控制领域的热点，代表着采暖温控发展的方向。随着现场总线国际标准的完成,现场总线产品以其完善的功能和突出的特点必将为市场所接受。HART协议作为一个开放性的协议，现已成为采暖温控的标准之一。采暖温控自动化系统采用传感技术、计算机技术和现代通信技术，实现对空调、电力、电梯、供排水、防火、防盗和视频监控等设备实行综合自动管理，具有各种安全保护、运行监控和管理等功能。为了给用户提供舒适的内部环境，智能大厦的各个场所和房间温度应常年控制在某一特定的范围内，实现温度控制智能1。由于微处理器的发展，使得在数据处理和控制理论上的处理速度、可靠性、性能有了质的改变，我们逐渐摒弃了古典的控制理论，可以准确控制
14、一些像非线性、时变的、参数分布的、最优控制等复杂的系统。本论文所研究的基于HART协议的采暖温控装置的设计为HART协议在采暖温控领域的应用做了一些有益尝试。1.2 课题研究的目标和意义随着市场经济的发展，家庭采暖用热能做为需要花钱购买的消费品，已为广大消费者认可。我国地域广阔，人口众多，房屋建筑规模巨大，其中住宅建设约占居住建筑的92，住宅建设量大而且面广， 至今仍呈上升趋势，而且这个上升趋势还将持续2030年。但是我们必须清醒的看到，我国如此庞大的房屋建筑及住宅建设的快速 增长是以资源和能源的高消耗为代价换取的，除了利用最直接的资源土地以外，住宅能源消耗的增长是住宅建设发展的一大限制因素。
15、 当前由于我国建筑物的保温隔热和气密性能很差，供暖系统热效率低，单位住宅建筑面积采暖能耗为相同气候条件下发达国家的3倍。到2000年，全国城市建筑耗能将占能源生产总量的14，这就说明，只有坚决采取节约能源的措施才能维持建筑的可持续发展。1.3 采暖温控在国内外的现状国外供暖系统主要采用的能源有：燃气、燃油、燃煤、电力、及太阳能。采用环保清洁的热源将是今后采暖的主要发展趋势。电是最清洁的能源，随着传统采暖方式的改变，电采暖一定会在将来得到广泛的应用。目前，国际上通用的电采暖技术，主要有北美国家的低温辐射电热技术，北欧等国流行的地热电缆技术。这些供暖系统首先是在欧美等电力充足的发达国家为了防御低温
16、严寒创造性地应用辐射原理开发研制成功的，并且在欧美等国家已具有广泛使用的历史，像丹麦、挪威等国家，冬季气候寒冷，取暖面积大，他们就将地热技术应用于室内保温、融雪车道、足球场地、游泳池等设施的建设中45。在国内，主要有以下几种采暖形式：散热器热水采暖：在住宅的公共部位（例如楼梯间）设置供回水总立管，热水经供水总立管，到达经水平串联的每个采暖点的散热器，最后到回水总立管。为了解决水平串联式尾部散热器不热的问题，在每组散热器的尾部设放风口。此外，采用水平跨越式可以实现分室调节。应用散热器热水采暖有污染严重，噪声大、维护费用较高、供暖费用收费难、浪费能源、热舒适度差等缺点，大多数住户反映采暖期在室内常
17、常感觉口干舌燥。低温热水地板辐射采暖：以不超过60的低温热水为热媒，通过分水器及设在地板构造层中的加热管把地板加热，再以房间的整个地面为散热面，均匀的向室内辐射热量。低温热水地板辐射采暖可维修性差。由于管道埋在地板内，属于隐蔽工程，系统一旦出现问题就必须挖开地面进行检修，给住户带来不便，住户普遍感觉室内更加干燥。电热膜、地热电缆采暖：电热膜采暖是以电为能源，通过电加热安装在居室顶面、墙面或地面的半透明聚铝膜，以红外辐射的方法供暖。地热电缆采暖由地热电缆和温控器两部分组成，地热电缆铺设在房间地面下的垫层内，温控器安装在墙面上，当室内温度低于温控器所设定的温度时，温控器会自动接通电源，地热电缆通电
18、后开始发热升温，发出热量均匀的辐射到室内。这种方法采暖的热舒适度好，没有扬尘，操控灵活，并且适应环保的要求，使用电力不会造成空气污染6。目前电采暖供暖系统中所采用的控制方法主要有四种：1. 独立控制：由用户独立控制采暖启停时间和加热温度，这种方式主要适合于家庭用户，但是不易于集中管理，有时会出现资源的浪费；2. 集中控制：多个用户采用串行总线实现集中控制，统一控制采暖启停时间和加热温度，这种方式适合于小集团采暖；3. 无线网络控制：这种方式适用于不易布线的采暖，但通信网络容易不稳定7；4. 现场总线控制：这种方式适合于大规模采暖。管理人员在控制室既可了解房间工作状况，也能对其参数进行调整，还可
19、预测或寻找故障，使系统始终处于的远程监控状态。不同类型的采暖温控系统总体结构不尽相同，但其核心功能是相同的。温控系统所用的设备通常放置在建筑环境内的系统集成中心SIC（System Integrated Center），它通过综合布线GC（Generic Cabling）与各种终端设备（如通信终端和传感器）相联接，感知建筑内各个房间中的信息，并通过计算机处理给出相应的对策，再通过通信终端或控制终端给出相应的反应（加热、停止加热等），使整幢大楼系统处于动态实时监控状态。现场总线技术的引入使得采暖温控系统更加先进。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接实现信
20、息互换，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统，是计算机控制系统与通讯技术结合的产物，是新一代全数字、全分散和全开放的现场控制系统。然而HART是工厂自动化领域中采用的一种通信协议。虽然每种协议都有其各自的优点，但就综合性能而言，HART是最佳的解决方案。它可获取增值设备和数字方式的诊断信息，同时与现有的4-20mA自动化结构体系相兼容。 1.4 课题研究的内容课题研究了基于HART协议的采暖温控系统的相关技术，较全面地阐述了基于HART协议的采暖温控系统的实现过程。具体内容如下：1. 对采暖温控系统的国内外发展现状及发展趋势作深入了解，并结合系统的应用环境对传统的供暖方式和供暖系统中的控制
21、方式进行比较，最终确定系统的设计方案；2. 在认真研读HART协议技术规范、分析HART协议的特点基础上，根据系统需要完成的任务设计相应的智能节点；3. 完成基于HART协议的采暖温控系统的硬件设计，其中包括液晶显示模块，温度采集模块，继电器模块，按键操作模块等；4. 根据系统可能出现的故障问题，设计本地报警和远程报警等方案；第2章 系统设计方案及HART协议简介2.1 总体方案设计系统上位管理机采用PC机，管理人员可以通过上位管理机对系统进行方便有效的管理。上位管理机完成系统参数、工作方式的设置，并存储各智能节点的所有信息。另外，报警节点可以在上位管理机关闭时接管上位管理机部分功能，对各智能
22、节点进行巡检，在系统出现故障时实现报警。智能节点接收并执行上位管理机的命令，执行温度测控和人机交互功能，并在有故障发生时可以切换到手动操作模式，保证温度适宜。主板在没有通信板接入的情况下可以单独工作，此时它只能通过420mA电流环路向上位机单向传送一个模拟变量。而通信板的接入为主板提供了HART协议数字信号双向通信的功能。这样不仅可以显著提高电流环路上的数据传输能力，而且还可以通过上位机来读取更多的过程数据，从而实现了现场总线的大部分功能。采用分为通信板和主板两个子系统的“模块化”设计，以及在通信板与主板之间通过预先定义的“标准接口”来完成数据传递，可以使一种通信板设计方案广泛的适用于，并且在
23、针对原有设备的改造中可以最大程度的保留原有设计，有效降低了设计难度和成本。由于目前使用420mA信号标准的温控装置种类繁多，设计结构和实现方法各异，无法逐一分析介绍。在本文中将主要讨论HART协议通信系统（通信板）的硬件设计。2.2 现场总线技术分类及选择现场总线技术于20世纪80年代开始形成和发展，这于计算机技术、嵌入式系统的高速发展是密不可分的。下面是获得广泛应用的几种现场总线技术10：LonWorks总线：LonWorks是由美国Echelon公司于20世纪90年代初推出的现场总线。它采用了OSI模型的全部七层协议，使用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。其通信
24、速率从300bps至1.5Mbps不等；支持双绞线、同轴电缆、光纤、红外线、电力线等多种通信介质。采用双绞线时，在78kbps下可以直接通信距离可达2700m；并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中。Neuron芯片的集成有3个8位CPU，分工完成OSI模型的七层功能7。Profibus总线：Profibus是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由Profibus-DP，Profibus-FMS，Profibus-PA组成了Profibus系列。Profibus-
25、PA（Process Automation）用于过程自动化的低速数据传输，其基本特征同FF的H1总线，可以提供总线供电和本质安全，并得到了专用集成电路（ASIC）和软件的支持。Profibus-PA与Profibus-DP兼容，基本特性同FF的H2总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输。Profibus-DP型用于分散外设间的高速数据传输，适于加工自动化领域的应用。Profibus-FMS意为现场信息规范，它适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。Profibus是一种相对而言比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。基金会现场FF总线：FF总线是国际上
26、几家现场总线经过激烈竞争后形成的一种现场总线，由现场总线基金会推出。与私有的网络总线协议不同，FF总线不附属于任何一个企业或国家。FF总线体系结构是以OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。FF现场总线还没有成为现场总线的国际统一标准。但是，它在过程自动化领域得到广泛支持，具有良好发展前景，并有望成为未来的统一标准或过程控制市场的主要标准。基金会现场总线分低速H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25kbps，通信距离达1900m（加中继器可延长），支持总线供电，支持本质安全防爆环境。H2的传输速率可为1 Mb
27、ps和2.5Mbps，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介质支持双绞线、光纤和无线射频。CAN总线：CAN是控制局域网络（Control Area Network）的简称，最早由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制定为国际标准。CAN协议是建立在国际标准组织的OSI模型基础上的，取用了OSI七层中的物理层和数据链路层。CAN信号传输介质有光缆、双绞线等。通信速率最高可达1Mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/5kbps。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭节
28、点的功能，使总线上其他节点及其通信不受干扰。目前，许多厂商将CAN总线应用于工业及楼宇自动化中一些实时性要求高的场合。CAN总线目前已经广泛应用在控制领域9。HART：HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩写，最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。HART通信模型由3层组成，即物理层、数据链路层和应用层。它规定了一系列命令，并按命令方式工作。它有3类命令：第一类为通用命令，这是所有设备理解、执行的命令；第二类为一般行为命令，它所提供的功能可以在许多现场设备中实现，包括最常用的现场设备的功
29、能库；第三类为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开发使用，也可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这3类命令。HART支持点对点主从应答方式和多点广播方式，总线上可挂设备数多达15个，最大传输距离为3km8。综合以上各种总线的性能，考虑本系统的要求和性价比等因素，决定采用HART协议作为温控系统的通信总线。2.3 HART协议概述HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议。HART装置提供具有相对低的带宽，适度响应时间的通信，经过10多年的发展，HAR
30、T技术在国外已经十分成熟 11 12。HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。由于FSK信号的平均值为0，不影响传送给控制系统模拟信号的大小，保证了与现有模拟系统的兼容性。在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问13。HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期
31、具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。HART 规定了一系列命令，按命令方式工作。它有三类命令，第一类称为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备（尽管不是全部）中实现，这类命令包括最常用的的现场设备的功能库；第三类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同时存在这三类命令。HART采用统一的设备描述语言DDL。现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由HART基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运
32、用DDL技术来理解这些设备的特性参数而不必为这些设备开发专用接口。2.4 HART协议模型结构HART协议参考 ISO/OSI(开放系统互连模型 )，采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。第一层：物理层。规定了信号的传输方法、传输介质，为了实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干扰，HART协议采用频移键控技术 FSK，即在420mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用 Be11202国际标准，数字信号的传送波特率设定为 1200bps，1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”，信号幅值0.5A。通信介质的选择视传输距离长短而定。通常采用
33、双绞同轴电缆作为传输介质时，最大传输距离可达到1500。线路总阻抗应在2301100之间。第二层：数据链路层。规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能。HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。现场仪表要执行HART指令，操作数必须合乎指定的大小。每个独立的字符包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和一个停止位。由于数据的有无和长短并不恒定，所以HART数据的长度也是不一样的，最长的HART数据包含25个字节。第三层：应用层。为HART命令集，用于实现 HART指令。命令分为三类，即通用命
34、令、普通命令和专用命令。2.5 HART协议的实现分析2.5.1 HART协议网络模式对于不同的应用，HART 协议的主设备和从设备可以组成两种不同的网络模式：单点模式和多点模式。下面将分别分析这两种网络模式的特点。1.单点模式是 HART 协议基本的一种网络模式。“单点”是指在 HART 网络中只有一台从设备存在（对于主设备的数量没有限制，可以有一台或两台主设备存在于网络中），此从设备的轮询地址被固定为 0。HART协议单点模式如图2-1所示。图2-1 HART协议单点模式图单点模式是一种模拟信号与数字信号兼容的模式，在此模式下数字信号和模拟信号可以同时在总线上传输：传统的420mA模拟信号
35、仍然被用于传输一个过程变量，而更多的过程变量、配置参数以及设备数据则是通过数字信号传输13。2.“多点”是指在 HART 网络中存在多于一台从设备的情况（对于主设备的数量没有限制，可以有一台或两台主设备存在于网络中）。在多点模式中，当使用短帧格式时，网络上至多可以存在 15 台从设备，对应轮询地址 115；当使用长帧格式时，网络上从设备的数量还可以增加，这时对从设备数量的限制主要来自 HART网络的负载能力。在多点模式下，只能进行数字信号通讯，环路上的电流值被锁定在固定值（通常为 4mA）13。HART协议多点模式如图2-2所示。图2-2 HART协议多点模式图2.5.2 HART协议定时分析
36、由前面的分析可知，HART 协议的网络结构是总线型的，任何时候在总线上只能有一个设备在发送信号。为了让不同类型的设备在总线上能够不受干扰的正常通讯，HART 协议提供了一套基于定时的链路仲裁机制。在本节中，首先介绍了 HART协议规定的几种定时。1. 字符时间由前面的介绍可知，HART 协议数据帧是以字符为基础编码传送的。HART 协议的传输速率是 1200 bps，一个字符包含 11 bit，所以一个字符的发送时间为 9.167ms。下面讨论的其它定时时间，都是以字符时间为单位的。2. 从设备响应时间(TT0)从设备响应时间是指从设备响应主设备的请求帧的最长时间。TT0 的计时自从设备接收到
37、主设备发出的请求帧的最后一个比特开始，到从设备发出响应帧的第一个比特为止。如果在这段时间里从设备没有发出响应帧，就认为发送失败。从设备响应时间是其它定时时间的基础，它直接影响到总线的传输能力。TT0 = 28 字符时间（256.7 ms）3. 主设备超时时间（RT1）RT1 有两个作用，一是作为主设备对从设备超时的判断门限，一是作为链路空闲的判断门限。当 RT1 用于从设备超时检测时，它实际上是在 TT0 的基础上加上信号在链路上的往返延时、保护时间以及主设备的串行接口能够检测到信号的时间而得到的。RT1 的计时自主设备发送完请求帧的最后一个比特算起，到接收到响应帧的第一个比特为止。如果主设备
38、在 RT1的时间里没有收到返回帧，则它认为是发送失败，会启动重传机制。当RT1用于从设备超时检测时，它与TT0的区别在于：RT1是主设备判定从设备超时的门限，而TT0是从设备判定自身超时的门限。当RT1用于链路空闲检测的时候，它保证没有正在进行的通信（即一个主设备已经发送了 REQ 帧，正在等待 ACK 帧）会被另外一个想发送数据的主设备干扰。如果一个主设备在 RT1 的时间内没有在链路上监听到任何帧，则认为链路是空闲的，它有权发送帧。同时为了避免在一些情况下，由于两个主设备同时访问总线而造成死锁，HART 协议将第一主设备和第二主设备的 RT1 设置成不同的值。第一主设备：RT1(P) =
39、33 字符时间（305 ms）第二主设备：RT1(S) = 41 字符时间（380 ms）4. 主设备切换时间（RT2）RT2 设置了一个足够长的时间来保证在一个主设备通讯结束之后，另外一个主设备能够占用通讯链路，以实现链路使用权的切换。RT2 的计时自主设备收到发给自己的响应帧的最后一个比特算起，到收到另一个主设备发出的请求帧的第一比特结束。如果在 RT2 的时间内，主设备没有收到另一主设备发出的请求帧，则它可以继续占有链路使用权。RT2 = 8 字符时间（75 ms）5. 主设备占用链路窗口（HOLD）如果一个主设备想获得链路使用权，那么它需要在收到发给另一个主设备的响应帧的最后一个比特之
40、后 HOLD 时间内，发出自己的请求帧来占用链路。如果这个主设备没有在 HOLD 的时间内占用链路，则它需要等待两倍的 RT1 时间才能再尝试占用链路。HOLD 时间与 RT2 时间的区别在于：RT2 时间是当前正在使用总线的主设备，在发送完一条 HART 帧之后需要等待的时间；而 HOLD 时间是当前没有使用总线的主设备，为了获得总线使用权而需要满足的发帧门限。HOLD = 2 字符时间（20 ms）6. 突发帧发送间隔（BT）BT 时间用于定义突发状态下的从设备发送突发帧的间隔，即连续两个突发帧之间最小的时间间隔应为 BT。在总线上有突发状态从设备存在的情况下，主设备可以在 BT 时间内占
41、用链路，从而访问从设备（包括突发状态从设备）。BT = 8 字符时间（75 ms）2.5.3 设备同步操作分析在 HART 总线上设备有同步和非同步之分。当一个主设备（如：手持式抄表器）刚接入到 HART 总线上时它是非同步的，此时它侦听链路上帧的传输但不发送帧。如果此主设备在 RT1 的时间内，在链路上没有侦听到帧传输；或者是此主设备在RT1 的时间内接收到一条由从设备（包括突发状态的从设备）发给另一个主设备的响应帧，在这两种情况下此主设备马上进入同步状态，它可以在 HOLD 时间定义的窗口里面向从设备（包括突发状态的从设备）发送请求帧。如果此主设备在 RT1 的时间里收到另一个主设备发给从
42、设备的请求帧，则它会重新开始计时 RT1，直到出现前述的两种情况之一才能转为同步状态。如果此主设备在 RT1 的时间里面收到一条错误的帧（无法识别是请求帧还是响应帧），它会根据错误发生的原因，选择继续计时 RT1 或者是重新计时 RT1，直到前述的三种情况之一出现。如果总线上有突发状态的从设备，则在整个系统刚开始运作时，总是在这个处于突发状态的从设备先于所有的主设备在链路上发送突发帧，此突发状态的从设备也随即进入同步状态。如果总线上的主设备发送请求帧将一台从设备配置成突发状态，则这台从设备在发送针对请求帧的返回帧之后紧接着会发送第一条突发帧，此突发状态的从设备也随即进入同步状态16。2.5.4
43、 HART协议命令分析在HART协议中命令是属于应用层的概念，HART协议的所有功能都是围绕预先定义的命令号来实现的。HAR T协议在应用层规定了强大的命令集。HART通讯基于命令,也就是主站发送命令,从站作出相应的响应。HART命令可以分为通用命令、普通常用命令、设备特殊命令三类。HART协议在理论上最多支持256条命令，每一条命令都有与之相匹配的数据域格式和状态域格式。2.5.4.1 设备识别命令命令#0和#11负责完成主设备读从设备识别码的操作。当一台主设备刚刚接入总线时，主设备会首先在总线上发送带轮询地址（如果是单点模式则为地址0，如果是多点模式则为地址115）的命令#0的短帧，依次尝
44、试与总线上的所有从设备建立连接。见下表2-1命令0数据域格式所示14。表2-1命令0数据域格式帧类型数据域字节号数据域字节内容请求帧无数据域无数据域返回帧字节0254字节1制造商ID字节2制造商设备类型字节3请求的前导符数字节4通用命令文档版本号字节5设备规范版本号字节6设备软件版本号字节7设备硬件版本号字节8设备标识字节911设备ID号从设备在收到发给自己的带命令#0的帧后，会返回含有自身制造商识别码、设备类型码和设备识别代码等信息的返回帧。另外，主设备也可以通过发送带广播地址的命令#11的长帧来与从设备建立连接。因为是广播地址，所以每一个从设备都可以接收到，但只有自身工位号（TAG）与请求帧数据域相同的从设备才可以返回响应帧。2.5.4.2 测量值操作命令测量值是HART总线上传输频率最高的一类数据。HART命令#1、#2、#3用于主设备读从设备的测量值，其中命令#3包含了命令#1,#2的功能，所以通常我们只使用命令#3。携带命令3的HART帧的数据域格式。见表2-2命令3数据域格式所示14表2-2命令3数据域格式帧类型数据域字节号数据域字节内容请求帧无数据域无数据域返回帧字节0模拟输出电