可寻址远程传感器高速通道 (HART) 协议增强了 4-20mA 仪表的向后兼容性，可实现与基于微处理器的智能现场器件的双向通信。

对于工厂自动化和控制 (FA&C) 应用，4-20mA 电流环路通信是一种常用的方法，可将数据从测量工厂变量的远程变送器发送回接收和处理数据的主机。电流值是远程变送器发送的主要变量，在某种程度上代表温度、流量或压力的大小。

HART 信号叠加到该 4-20mA 电流环路上，并针对双向数字通信进行调制。4-20mA 环路已成为 FA&C 应用中广泛使用的标准。由于此技术向后兼容并可与现有的基础设施配合使用，因此 HART 易于采用且具有成本效益。

HART 是一种命令/响应协议，其中主机发送命令，远程变送器返回标准化响应。命令接收到的数据可以传达器件状态和诊断信息。数据还可以包括器件测量浮点数字值、主要变量的工程单位以及有关远程变送器的其他信息。

HART 协议也可用于标准化操作过程，例如测试电流环路、电流环路的范围设置以及来自变送器的校准信息。HART 修改了仅发送电流值主要变量的 4-20mA 系统，并增加了具有更多功能的数字通信。

标准 HART 传输是叠加在 4-20mA 信号上的移频键控 (FSK) 信号。FSK 位以 1200 位/秒 (bps) 的速率传输。FSK 表示位信号以两种不同的频率传输，使用数字 1 和数字 0 代表两种频率。

标准 FSK 信号的替代方案是同调 8 路相移键控 (C8PSK) 信号。此版本的 HART 提高了数字传输速率。此版本使用具有 8 个不同相位的 3200Hz 载波获取信息。在 3200Hz 下，八个相位可提供 9600bps 的有效位传输速率。C8PSK 类似于标准 FSK，与 4-20mA 环路上的模拟信令兼容。

此外，HART 协议还可用于其他信号系统。一些制造商已经开发了使用 HART 通信数据包（通过 RS-485 发送）的器件。

WirelessHART® 使用基于 IEEE 802.15.4 标准的 2.4GHz 时分多址 (TDMA) 通信来集成无线通信。该协议旨在与现有的 HART 协议和 HART 器件协同工作。WirelessHART 本质上是一个无线网状网络，用于将现场器件连接至 WirelessHART 网关。

HART-IP® 使用互联网协议 (IP) 通过以太网发送 HART 通信。HART-IP 可连接到单个器件，也可连接到 WirelessHART 器件的无线网关。HART-IP 实质上是使用 IP 寻址的 HART。以太网连接使用 Ethernet-APL，这是一种双线环路供电式以太网物理层，用于加工厂中的恶劣危险环境。

在本应用手册发布时，TI 现有的支持 HART 的器件采用标准 FSK HART。因此，本应用手册仅讨论 HART FSK。

图 1-1 展示了在 4-20mA 环路上安装的远程变送器的基本方框图。

远程变送器将传感器的测量值转换为标准电流并在 4-20mA 环路上传输。测量数据可以是用于工业控制的变量：温度、压力、流量或工厂车间所需的任何其他测量值。此测量值被转换为一个主要变量，主要变量有一个已定义好的满标量程。这个主要变量在 4-20mA 环路中转换为与测量信号成正比的值。例如，环路电流 4mA 表示零标度，环路电流 20mA 表示满标度。如果从加热室获得的温度测量值具有 0°C 到 1000°C 整个范围，则环路中的电流 4mA 表示 0°C，环路中的电流 20mA 表示 1000°C。中间值以线性方式转换到此标度。主要变量的值由连接到主机的接收器测量。要将主要变量反译为具体的测量值，需使用模数转换器 (ADC) 来测量电阻，以确定环路中的电流。

如前所述，HART 通信使用 4-20mA 环路，并使用 HART 调制解调器向环路中添加数字信号。HART 通信使用 FSK 信号来调制通信中的数字位。调制解调器信令发送两种不同的频率，在数字通信中用 0 或 1 表示。图 1-2 展示了向变送器添加 HART。

变送器包含一个 HART 调制解调器，其传输显示为 TX。调制解调器对环路中的电流进行调制，以传输数字信号。HART 信号被添加到表示主要变量的电流值中。调制解调器还会容性耦合电压信号以接收数字信号。调制解调器的这一部分在远程变送器内部显示为接收器 (RX)。

另一个连接到主机的支持 HART 的接收器用于测量环路中电阻器上的电压，以确定主要变量。主机使用低通滤波器接收主要变量测量值，以滤除 HART FSK 信号。通信使用的电阻范围为 230Ω 至 600Ω，250Ω 是 HART 应用中使用的典型电阻。同时，主机使用带通滤波器接收 HART FSK 数字信号。主机和现场变送器都可以发送和接收与传感器和支持 HART 的变送器相关的数据。该 HART 信号必须经过带通滤波才能被远程变送器接收到。

HART FSK 数字信号是在 4-20mA 环路上调制的正弦波。名义上，HART FSK 是一个 1mA_PP 正弦波。图 1-3 显示了用 HART 调制信号表示环路中的瞬时电流。4-20mA 电流表示主要变量。

如前所述，位表示为两个不同的 FSK 信号。1200Hz 信号是数字 1，2200Hz 信号是数字 0。数据以 1200 波特率发送，每位长度为 833µs。

请注意，许多变送器都是由环路电源供电。这意味着施加到环路的电源也会用于为变送器供电。由于没有其他电源，并且环路的零标度为 4mA，因此变送器运行时的电流预算必须低于此电流量。在某些情况下，3.5mA 的电流会视为误差信号，因此变送器的实际运行电流最大预算必须为 3mA。

主要变量和 HART 信号共享相同的传输，每个信号必须经过过滤才能接收到。图 1-4 显示了主要变量和 HART 信号的频率成分。

在支持 HART 的接收器中，使用低通滤波器来读取主要变量，以测量电阻两端的电压。此信号通常低于 20Hz，低通滤波器的截止频率可以为 25Hz。HART 传输采用更高的频率，FSK 位为 1200Hz 和 2200Hz。此 HART 信号是使用一个工作频率通常为 500Hz 至 10kHz 的带通滤波器接收的。

可通过两种基本方法将 HART 器件连接到控制系统。图 1-5 展示了控制系统与支持 HART 的现场变送器的点对点连接

主机可以通过交换机提供多个输入。当有通信时，每个输入都有电源和接收器。主机从单个现场器件发送命令和接收数据。第二主机可用于发送命令和接收数据，但环路上只有单个现场器件。

将 HART 器件连接到控制系统的第二种基本方法是多点模式。在多点模式下，多个现场器件并行连接。使用此模式时，没有主要变量，每个现场器件的电流固定在 4mA。图 1-6 显示了在多点模式下设置的多个现场变送器。

每个器件通过唯一的地址进行标识。通过这种方式，主机可以与环路上的单个器件进行通信。HART 的不同版本允许不同数量的地址：

• 地址 0：点对点器件的默认地址
• 地址 0 至 15：多点环路器件的 HART 版本 5 或更早版本的地址范围
• 地址 0 至 63：多点环路器件的 HART 版本 6 或更高版本的地址范围

作为一种协议，所有 HART 传输都整理为字节组。以下各节介绍了基本通信、字节和帧结构以及器件寻址。