4-20mA

工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，这些都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。

采用电流信号的原因是不容易受干扰，因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V，但是噪声的功率很弱，所以噪声电流通常小于nA级别，因此给4－20mA传输带来的误差非常小；电流源内阻趋于无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，因此在普通双绞线上可以传输数百米；由于电流源的大内阻和恒流输出，在接收端我们只需放置一个250欧姆到地的电阻就可以获得0－5V的电压，低输入阻抗的接收器的好处是nA级的输入电流噪声只产生非常微弱的电压噪声。

上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。

最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，所以现在基本上将四线制变送器称之为三线制变送器。其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电，变送器在电路中相当于一个特殊的负载，这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，因此在量程范围内，变送器通常只有24V，4mA供电（因此，在轻负载条件下高效率的DC/DC电源（TPS54331,TPS54160），低功耗的传感器和信号链产品、以及低功耗的处理器（如MSP430）对于两线制的4-20mA收发非常重要）。这使得两线制传感器的设计成为可能而又富有挑战。

那么为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢？为了减少接线的复杂性，传感器选择2线要比多线简单的多，2线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者从中盗窃4mA电流给传感器放大电路供电，这样4-20mA的标准就确定了。

HART

HART(Highway Addressable Remote Transducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国ROSEMOUNT公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。 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，HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。

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1.2kbps。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。

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。但由于这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种能满足各公司要求的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

两者之间的关系

“HART”是高速可寻址远程传感器的缩写。HART协议利用贝尔202频移键控（FSK）标准，将低电平的数字通信信号叠加在4 - 20mA之上。

这项技术实现了双向现场通信，并使得同智能现场仪表传输比一般过程变量更多的信息成为可能。HART协议以1200 bps的速率通信，而不影响4 - 20mA信号，并允许一个主机应用程序（主设备），从智能现场设备每秒获取两次或两次以上的数字更新。由于数字FSK信号是相位连续的，因而不会对4 - 20mA信号造成干扰。

HART技术是个主/从协议，这意味着，只有当主设备发出信号时，智能现场（从）设备才会发送信号。HART协议可在多种模式下使用，如点到点或者多点模式，在智能现场仪表和中央控制或监测系统之间传输信息。

HART通信发生在两个具有HART功能的设备之间，通常是智能现场设备和控制或监测系统之间。通信使用标准的仪器级电缆，并且使用标准的接线和终端处理方式。

HART协议提供两个同步通信通道：4 - 20mA模拟信号和一个数字信号。4 - 20mA信号利用4 - 20mA的电流回路 – 它是最快和最可靠的业界标准，来传输主要的测量值（在现场仪表的情况下）。另外，HART利用叠加在模拟信号之上的数字信号，来传输其它的设备信息。

数字信号中包含了来自设备的信息，包括设备状态、诊断、额外的测量或计算值等。这两个通信通道结合起来，提供了一种易于使用和配置的低成本、高度可靠的、完整的现场通信解决方案。

4-20mA模拟信号和HART之间没有必然的配套关系。HART通讯协议由于各种原因，不太适合完全数字化控制（现场总线）的通讯。但是，由于HART可以在2-20mA信号中以直流电流或直流电压中的交流纹波形式进行传输。两者之间可以做到相互完全不干扰，所以成为了模拟仪表之间进行数字通讯的常用手段。相类似的还有Modbus协议等。