Python实现Hart协议

Python 实现Hart协议

Hart协议介绍
Hart协议多数使用在智能仪表上，如电磁流量计，液位计等智能仪表的电流输出端口4~20mA往往会支持Hart协议。Hart协议是在端口电流上添加叠加0.5mA的正弦调制波，以1200Hz代表逻辑‘1’，2200Hz代表逻辑‘0’，成功地把模拟信号和数字信号双向同时通讯，而不互相干扰。如下图：

Hart协议的消息帧要求如下：

其中RES，是状态位，是从站向主站发送信息时才有的。
Hart协议的消息帧主要由以下几个字段来定义：
1.1. PREAMBLE，前导字节，一般是5个“FF”，也就是5个字节
1.2. DELIMITER，起始字节。起始字节来确定后续的ADDR字节是“短”结构还是“长”结构。起始字节主要有短结构的‘02’，长结构的‘82’（主站向从站发送命令）。以及短结构‘06’，长结构‘86’ （从站向主站发送消息）。短结构‘01’，长结构‘81’（突发模式）。
1.3. ADDR，地址字节。ADDR包含主机地址和从站地址。按上述所提，ADDR有两种结构，分别是短结构和长结构，不同的结构会导致ADDR字节数不同
1.3.1 短结构
短结构时，ADDR为1个字节（8位bit），8位bit含义如下：

主机地址：1表示是第一主机，0表示是第二主机（Hart手持式终端）
突发模式：突发模式是特例，结合上述DELIMITER字节，突发模式，0，1值将交替出现，也就是说，在该模式下，赋予2个主机的机会均等。此位为1 表示为“突发”模式。
SA：字节后4位为从站地址，也就是说从站地址是0~15。只有16个从站。
1.3.2 长结构
长结构时，ADDR为5个字节，字节含义如下：

1.4. COM：命令字节，常用的命令有‘0’号命令，‘1’号命令，‘2’号命令等。具体参考Hart命令细节
1.5. BCNT：数据总长度。表示的是从BCNT后面一个字节开始（不包含BCNT自己）到CHK字节（不包含CHK字节）之间的字节数。由于规定数据字节（DATA）最多25个字节，因此BCNT最大27（响应码RES为2个字节），也就是0x18。
1.6. RES：响应码。响应码只有在从站回答时，从站才会发送响应码，以此来确定主站发送的命令是否正确执行，他将报告通讯中的错误、接收命令的状态（如：设备忙、无法识别命令等）和从机的操作状态。
如果我们在通讯过程中发现了错误，首字节的最高位（第7位）将置1，其余的7位将汇报出错误的细节，而第2个字节全为0。否则，当首字节的最高位为0时，表示通讯正常，其余的7位表示命令响应情况，第2个字节表示场设备状态的信息。
1.7. DATA：数据字节。数据字节可以为0,，也可以是从站提供的PV，SV等数据。
1.8. CHK：奇偶校验码。从起始字节开始到奇偶校验前一个字节的“异或”。

PC端硬件要求
Hart协议可以有两个主机（Master），首要主机是上位机，次要主机是可携带式的读数器。本文只使用上位机来进行Hart协议通讯，对硬件要求如下：
2.1 Hart modem：使用的是MACTek公司的VIATOR，带有USB接口，直接连接到PC的USB。端口设置如下，波特率1200：

2.2 智能仪表：采用的是KROHNE公司的OPTIFLEX2200 液位计，其点对点连接方式如下：
Python实现Hart协议中的“命令0”和‘命令1’
流程图如下：
举例说明命令0
命令‘0’，主要是来询问仪表，仪表返回一些设备信息，如制造商信息，设备型号，设备ID等。只有通过命令0获得设备信息后，才能在命令1中使用长结构。由于命令0比较通用，可以来检查程序是否正常运行。
在点对点模式下，在仪表上设置的Hart地址默认为"0",因此只要是仪表地址为’0’时，上位机发送命令’0’的消息帧均是：
b’\xFF\xFF\xFF\xFF\xFF\x02\x80\x00\x00\x82’
所以如果不打算使用command_0(DELMITEL,ADDR,CMD,BCNT)函数时，可以直接使用上述的消息帧来测试端口是否正确，具体程序如下：

#前导符总是‘ff’，并且是5个连续的‘ff‘
PREAMBLE='ff'
#定界符，短字定届符为02(主站发给从站)，06（从站发给主站），01（突发报文）。长字定届符分别是82,86,81
DELMITEL='02'
#Address 可以是长字符。但命令0 可以使用短字符.由于从站地址为0是，address=‘80’，从站地址是15时，address=‘8F’
ADDR='80'
#命令0，命令1较为常用
CMD='00'
#定义BCNT下一字节到Check字节之间的字节数量，最多27个？
BCNT='00'
# Hart modern在PC上的端口COM
serialPort='COM22'
#波特率必须是1200
baudRate=1200
ser=serial.Serial(serialPort,baudRate,stopbits=serial.STOPBITS_ONE,parity=serial.PARITY_ODD,timeout=0.5)
#Send_Data_0=command_0(DELMITEL,ADDR,CMD,BCNT)
#command0 总是等于b'\xFF\xFF\xFF\xFF\xFF\x02\x80\x00\x00\x82'
Send_Data_0=b'\xFF\xFF\xFF\xFF\xFF\x02\x80\x00\x00\x82'
ser.write(Send_Data_0)
time.sleep(0.5)
n=ser.inWaiting()
if n:# read_data 类型是bytes，但read_data[0]的类型是intread_data=ser.read(n)#(b'\x00\xff\xff\xff\xff\xff\x06\x80\x00\x13\x00T\xfeE\xd7\x05\x06\x01\x01\x08\x00\x02\x0f\xcd\x05\x04\x00}\x00:')#会有点乱码，原因未知。但当把读出来的数据进行list后，和上面的显示不一样print("reading data from OPTIFLEX is %s"%read_data)read_data_str=[]for i in read_data:#hex(i) 把 整型 i转换成16进制字符，是字符型。read_data_str.append(hex(i))#read_data_str=['0x0', '0xff', '0xff', '0xff', '0xff', '0xff', '0x6', '0x80', '0x0', '0x13', '0x0', '0x54', '0xfe', '0x45', '0xd7', '0x5', '0x6', '0x1', '0x1', '0x8', '0x0', '0x2', '0xf', '0xcd', '0x5', '0x4', '0x0', '0x7d', '0x0', '0x1a']print('reading data for Command_0 is %s'%read_data_str)
ser.close()

以上就是很简单的命令0 实现程序，通过命令0，上位机得到一系列的十六位进制的字符串，需要根据Hart协议的命令’0’解释，对获得的字符串进行脱壳解释，以此来得到设备信息，并记录设备信息，为命令1的实现做准备。
命令1的实现就需要根据实际命令0得到的设备信息进行设置，目的是读取仪表的PV值（Hart协议总共四个变量，PV，SV，TV，4V）在此就不打算展开，有需要的同学可以和我站内联系。

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