AppNotes HART

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O protocolo digital HART
Introdução
Atualmente muito se fala em termos de redes fieldbus mas tem-
se muitas aplicações rodando em HART (Highway Addressable 
Remote Transducer), tendo vantagens com os equipamentos in-
teligentes e utilizando-se da comunicação digital de forma flexível 
sob o sinal 4-20mA para a parametrização e monitoração das 
informações.
Introduzido em 1989, tinha a intenção inicial de permitir fácil ca-
libração, ajustes de range e damping de equipamentos analógicos. 
Foi o primeiro protocolo digital de comunicação bidirecional que 
não afetava o sinal analógico de controle.
Este protocolo tem sido testado com sucesso em milhares de apli-
cações, em vários segmentos, mesmo em ambientes perigosos.O 
HART permite o uso de mestres: um console de engenharia na 
sala de controle e um segundo mestre no campo, por exemplo um 
laptop ou um programador de mão.
Em termos de performance, podemos citar como características 
do HART:
• Comprovado na prática, projeto simples, fácil operação e ma-
nutenção.
• Compatível com a instrumentação analógica;
• Sinal analógico e comunicação digital;
• Opção de comunicação ponto-a-ponto ou multidrop;
• Flexível acesso de dados usando-se até dois mestres;
• Suporta equipamentos multivariáveis;
• 500ms de tempo de resposta(com até duas transações);
• Totalmente aberto com vários fornecedores;
As especificações continuamente são atualizadas de tal forma a 
atender todas as aplicações.
Veremos a seguir alguns detalhes do protocolo HART.
A simplicidade: o HART e o loop de corrente 
convencional
As figuras 1 e 2 nos mostram como entender o HART facilmente. 
Na figura 1, temos um loop de corrente analógica, onde os sinais 
de um transmissor variam a corrente que passa por ele de acordo 
com o processo de medição.O controlador detecta a variação de 
corrente através da tensão sob um resistor sensor de corrente. A 
corrente de loop varia de 4 a 20mA para freqüências usualmente 
menores que 10 Hz. 
César Cassiolato - Diretor de Marketing - cesarcass@smar.com.br
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Figura 01 - Loop de corrente convencional
A figura 2 é baseada na figura 1, onde o HART foi acrescido.Agora 
ambas terminações do loop possuem um modem e um amplifi-
cador de recepção, sendo que este possui alta impedância de tal 
forma a não carregar o loop de corrente. Note ainda que o trans-
missor possui uma fonte de corrente com acoplamento AC e o 
controlador uma fonte de tensão com acoplamento AC. A chave 
em série com a fonte de tensão no controlador HART em ope-
ração normal, fica aberta.No controlador HART os componen-
tes adicionais podem ser conectados no loop de corrente, como 
mostrado ou através do resistor sensor de corrente. Do ponto de 
vista AC, o resultado é o mesmo, uma vez que a fonte de alimenta-
ção é um curto-circuito. Note que o sinal analógico não é afetado, 
uma vez que os componentes adicionados são acoplados em AC. 
O amplificador de recepção freqüentemente é considerado como 
parte do modem e usualmente não é mostrado separadamen-
te. Na fig.2 foi desenhado separadamente para mostrar como se 
deriva o sinal de tensão de recepção. O sinal de recepção não é 
somente AC, nem no controlador ou mesmo no transmissor. 
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Figura 02 - Loop de corrente acrescido o HART
Para enviar uma mensagem, o transmissor ao ligar sua fonte de 
corrente, fará com que se sobreponha um sinal de corrente de 
1mA pico-a-pico de alta freqüência sobre o sinal analógico da cor-
rente de saída. O resistor R no controlador converterá este sinal 
em tensão no loop e esta será amplificada no receptor chegando 
até ao demodulador do controlador(modem). Do mesmo modo, 
para enviar uma mensagem ao transmissor, o controlador fecha 
sua chave, conectando sua fonte de tensão que sobrepõe um ten-
são de aproximadamente 500mV pico-a-pico através do loop.Esta 
é vista nos terminais do transmissor e encaminhada ao amplifi-
cador e demodulador.Note que existe uma implicação na fig.2 
que é que o mestre transmita como fonte de tensão enquanto o 
escravo, como fonte de corrente.A figura 3 mostra detalhes do
sinal HART, sendo que as amplitudes podem variar de acordo com 
as impedâncias e capacitâncias de cada equipamento e perdas cau-
sadas por outros elementos no loop.O HART se utiliza do FSK, 
chaveamento por mudança de freqüência(Frequency Shift keying), 
onde a freqüência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200 
Hz, representa o 0 binário.Note que estas freqüências estão bem 
acima da faixa de freqüências do sinal analógico(0 a 10 Hz) de tal 
forma que não há interferências entre elas.Para assegurar uma 
comunicação confiável, o protocolo HART especifica uma carga 
total do loop de corrente, incluindo as resistências dos cabos, de 
no mínimo 230 Ohms e no máximo 1100 Ohms.
Figura 03 - Sinal HART
Equipamentos de campo e handhelds(programadores de mão) 
possuem um modem FSK integrado, onde via port serial ou USB 
de um PC ou laptop pode-se conectar uma estação externa-
mente. A figura 4 mostra uma conexão típica entre um device 
Host e um equipamento de campo, onde usualmente se tem co-
municação ponto-a-ponto.Veremos posteriormente, outros tipos 
de conexões. Em uma conexão do tipo ponto-a-ponto, como a 
Figura 04 - Conexão de equipamentos mestres HART
da figura 4, é necessário que o endereço do equipamento seja 
configurado para zero, desde que se use o modo de endereço na 
comunicação para acessá-lo.
Em sistemas considerado grandes, pode-se utilizar-se de multi-
plexadores para acessar grandes quantidades de equipamen-
tos HART, como por exemplo na figura 5, onde o usuário de-
verá selecionar o loop de corrente para comunicar via Host.
Nesta situação em cascata, o host pode comunicar com vários 
equipamentos(mais do que 1000), todos com endereços zero.
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Ainda podemos ter rede em multidrop e condições de split-range. 
Na figura 5a, na conexão em multidrop, observe que podem ser 
ligados no máximo até 15 transmissores em paralelo na mesma 
linha. A corrente que passa pelo resistor de 250 Ohms(foi ocul-
tado na figura) será alta, causando uma alta queda de tensão. 
Portanto, deve-se assegurar que a tensão da fonte de alimentação 
seja adequada para suprir a tensão mínima de operação.
No modo multidrop a corrente fica fixa em 4mA, servindo apenas 
para energizar os equipamentos no loop.
Figura 05 - Conexão HART via multiplexador
A condição de split-range é usada em uma situação especial onde 
normalmente dois posicionadores de válvulas recebem o mes-
mo sinal de controle, por exemplo, um operando com corrente 
nominal de 4 a 12 mA e o outro de 12 a 20 mA.Nesta condição, 
os poscionadores são conectados em série no loop de corrente 
com endereços diferentes e o host será capaz de distingui-los via 
comunicação.Veja figura 6.
Figura 05a - Conexão HART em Multidrop
Figura 06 - Conexão HART com técnica split-range
Endereçamento em redes densas
Para endereçar os equipamentos em redes densas, um formato 
especial chamado de “long form adressing” é usado.Durante a 
configuração,o endereço e o tag de cada equipamento, via ponto-
a-ponto são enviados aos equipamentos. Na operação, os equi-
pamentos operam com o endereço no formato long.Usando o 
comando 11, o host pode acessar os equipamentos via tags.
Figura 07 - Formato short e long de endereços no HART
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As camadas(layers) do HART
O HART foi desenvolvido segundo o modelo OSI, de acordo com 
a figura 8. O meio físico
Figura 8 – Modelo do protocolo HART segundo o modelo OSI
Como visto anteriormente, o HART se utiliza do sinal de 4-20mA, 
sobrepondo um sinal em técnica FSK, chaveamento por mudança 
defreqüência(Frequency Shift keying), onde a freqüência de 1200 
Hz representa o 1 binário e a de 2200 Hz representa o 0 binário.
Cada byte individual do telegrama do layer 2 é transmitido em 11 
bits, usando-se 1200 kHz.
Cabeamento
Utiliza-se um par de cabos trançados onde deve-se estar atento 
à resistência total já que esta colabora diretamente com a carga 
total, e agindo na atenuação e distorção do sinal.Em longas linhas 
e sujeitas a interferências, recomenda-se o cabo com shield, sendo 
este aterrado em um único ponto, preferencialmente no negativo 
da fonte de alimentação.Segue algumas dicas de distribuição do 
cabeamento, aterramento e shield (blindagem):
• Para curtas distancias, pode-se usar cabos com 0,2 mm2 e 
sem shield.
• Para distancias até 1500m, recomenda-se usar cabos de par 
trançados com 0,2 mm2 e com shield.
• Para distancias até 3000m, recomenda-se usar cabos de par 
trançados com 0,5 mm2 e com shield.
• Deve-se assegurar a continuidade da blindagem(shield) do 
cabo em mais do que 90% do comprimento total do cabo.E 
ainda, esta deve ser aterrada somente em um ponto, pre-
ferivelmente na fonte de alimentação. O shield deve cobrir 
completamente os circuitos elétricos através dos conectores, 
acopladores, splices e caixas de distribuição e junção.
• Isolar sinal HART de fontes de ruídos, como cabos de força, 
motores, inversores de freqüência.Colocá-los em guias e ca-
lhas separadas.
• Quando utilizar cabos multivias, não misturar sinais de vários 
protocolos.
• Em relação ao aterramento, deve-se ter uma impedância de 
terra suficientemente baixa com capacidade de dreno sufi-
ciente para conduzir e prevenir picos de tensão.Deve-se evi-
tar múltiplos terras.
• Evitar loops de terra: quando se tem vários equipamentos 
aterrados a um terra comum por caminhos diferentes, crian-
do diferenças de potenciais que podem danificar os equipa-
mentos.
• Possíveis fontes de captação de ruído ou de distorções do 
sinal de comunicação podem ser citadas:
 · Sistema de aterramento totalmente desbalanceado.
 · Estruturas metálicas mal aterradas ou isentas de 
 aterramento.
 · Presença de laços com grande área de acoplamento 
 magnético.
• O loop de terra do sinal AC determina um circuito elétrico 
AC, alimentado pela tensão de desbalanceamento do terra e 
a interferência será tão maior quanto maior for o nível de-
tensão do ruído e quão próxima for a freqüência do ruído da 
freqüência do sinal de comunicação.
• Estruturas metálicas mal aterradas ou isentas de aterramento 
podem servir de antena, captando ruídos de tal energia que 
poderia fazer com que o circuito AC passe a conduzir cor-
rentes que possam interferir na qualidade do sinal de comu-
nicação.Este fenômeno, denominado indução magnética, pode 
ser minimizado com a implementação de um circuito de re-
torno próximo ao cabeamento do barramento. Se o sistema 
de bandejamento e de dutos criar um circuito ininterrupto 
de retorno junto ao cabeamento, o laço pode ser minimizado, 
diminuindo a área de acoplamento. Normalmente, o proble-
ma resultante deste tipo de falha de instalação, em plantas 
operando normalmente, não será aparente, e caso ocorra um 
desbalanceamento de terra, o problema trará conseqüências 
desastrosas ao sistema, com danos permanentes nos equipa-
mentos.
• Para detectar a presença de aterramento em múltiplos pon-
tos, recomenda-se, uma vez terminada a instalação, abrir cada 
ponto de aterramento e realizar a medição da impedância 
deste ponto para o terra (megagem – a impedância lida deve 
ser bastante alta, da ordem de alguns Mega Ohms).
• Se a impedância lida for baixa, isto indica que algum ponto 
da linha deve estar em contato com o terra (curto com a 
carcaça, conexão de equipamentos não isolados com os sen-
sores aterrados, etc..) e o curto deve ser desfeito.Lembrar 
que as recomendações são válidas não apenas para o sinal, 
mas também, para a própria blindagem dos cabos. Uma das 
ocorrências mais comuns é abandonar o shield dos cabos 
mal acabado no bandejamento ou no próprio invólucro dos 
equipamentos e isto pode levar a curtos indesejáveis com a 
carcaça. A prática recomenda que se faça também a megagem 
da blindagem. As megagens do sinal e da blindagem devem 
ser sistemáticas, repetindo sempre que se faça algum tipo de 
manutenção nos dispositivos ou na cablagem. Qualquer ma-
nuseio em qualquer uma destas partes pode ocasionar um 
curto para a carcaça, principalmente se o acabamento dos 
cabos for mal executado (curto ao fechar a tampa, curto ao 
manipular os cabos nas bandejas, etc).
• Deve-se sempre estar atento as normas de segurança se-
gundo as exigências dos órgãos certificadores e conforme a 
aplicação.
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Layer 2
O protocolo HART opera segundo o padrão Mestre-Escravo, 
onde o escravo somente transmitirá uma mensagem se houver 
uma requisição do mestre. A figura 9 mostra de maneira simples 
o modelo de troca de dados entre mestre e escravo.Toda comu-
nicação é iniciada pelo mestre e o escravo só responde algo na 
linha se houve um pedido para ele.Existe todo um controle de 
tempo entre envios de comandos pelo mestre. Inclusive existe um 
controle de tempo entre mestres quando se tem dois mestres no 
barramento.
Figura 9 – Modelo de comunicação Mestre-Escravo de 
troca de dados no HART
Em termos de serviços de comunicação, o HART provê 3 tipos:
• Comandos padrões: onde se tem a troca de dados entre 
mestres/escravos;
• Comandos em broadcast: que são comandos que todos os 
equipamentos recebem;
• Modo burst: onde alguns equipamentos ciclicamente a cada 
75ms envia na linha o valor de processo medido.Normalmen-
te, tem-se duas transações por segundo.Neste modo, pode-
se ter quatro por segundo.
Figura 10 – Frame padrão de um comando HART.
Na figura 10 podemos ver um frame padrão do HART, onde:
• Preâmbulo: pode ser 3 ou mais bytes FF de sincronismo dos 
sinais da mensagem.
• SD: é o byte que indica quem está enviando o frame: mestre, 
escravo ou o escravo em burst mode e ainda, qual o formato, 
long or short.
• AD: é o campo de endereço onde no formato short com 
um byte, possui um bit de distinção entre os dois mestres 
possíveis e um para indicar burst mode.Em equipamentos de 
campo, 4 bits são usados para o endereço, de 0 a 15.No caso 
do formato long, o endereço tem 38 bits.
• CD: este é o byte que identifica o comando HART que vai 
depender do layer 7, isto é, da aplicação.Os comandos são 
divididos em classes: universais, comuns e de acordo com o 
fabricante.
• BC: indica o comprimento da mensagem.No HART o com-
primento máximo é 25 bytes.
• Status: são dois bytes que indicam a condição do equipamen-
to. Quando iguais a zero, o equipamento está OK.
• Data: são os dados transmitidos e que podem ser em vários 
formatos onde os equipamentos converterão conveniente-
mente.
• Parity: contem o checksum, atendo HD = 4 (Hamming dis-
tance).
Em um frame usando formato short, teremos 25 bytes mais 10 
bytes de controle. Como usa 11 bits, teríamos:
• 11*35 = 385 bits transmitidos
• o tempo por bit é de : 1/1200 bit/s = 0.83ms
• o tempo total de transação é de = 385*0.83ms = 0.319s
• o tempo de transação do 25 bytes(dados de usuário) é = 
0.319s/25 = 12.8ms
A relação entre o tempo de dados de usuário e o tempo total de 
transação é: 25 * 8 bits / 385 bits = 52 %.
Observe que em mensagens mais curtas, a proporção entre o 
dado de usuário e o dado de controle pode chegar a 128ms para 
um byte de dado de usuário.Em geral, tem-se um tempo de 500ms 
para garantir duas transações mais alguma informação adicional 
de manutenção e sincronização.
Application Layer(Camada de Aplicação)
Como explicado anteriormente, o HART é baseado em coman-
dos que uma vez recebidos pelos escravos, permitem certas 
ações.Estes comandos estão divididosem classes:
• Universais: comandos usados e compreendidos por todos 
equipamentos HART;
• Práticos e Comuns: suportados pela maioria dos equipamen-
tos HART e de acordo com a função do equipamento;
• Específicos de cada equipamento conforme o fabricante: são 
dependentes das características particulares de cada equipa-
mento/fabricante. 
Figura 11 – Comandos Universais
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Um exemplo de equipamento HART
Vejamos a figura 12, onde temos o diagrama de blocos do trans-
missor de pressão LD301 da Smar.
Figura 12 – Transmissor de Pressão HART/4-20mA
Este transmissor possui a tecnologia do sensor capacitivo, que 
é a tecnologia mais difundida e testada em nível de sensores de 
pressão, em milhares de aplicações e segmentos, desde as mais 
simples até as mais complexas e principalmente onde exigi-se 
exatidão e confiabilidade. Não possui conversor A/D e a leitura 
dos sinais de capacitâncias é totalmente digital(a Smar utiliza de-
sta metodologia digital desde a década de 80), eliminando drifts 
comumente encontrados neste componente.Graças a um chip 
desenvolvido e comercializado pela Smar, o HT3012, este trans-
missor possui um dos maiores MTBFs do mercado, onde este 
chip, além de um modem HART, um conversor D/A de 15 bits e 
um controlador de LCD, possui um co-processador matemático 
que garante alta performance a todos os equipamentos HART 
desenvolvido com o mesmo.Com todas estas funcionalidades e 
alto nível de integração, este chip permite que este transmissor 
de pressão possua somente uma placa eletrônica, facilitando ma-
nutenção e controle de estoque, já que uma única placa atende to-
dos os modelos.Tudo isto colabora no aumento de confiabilidade 
e diminui as probabilidades de falhas, garantindo seu uso em áreas 
críticas.Além disso, o LD301 possui rápido tempo de resposta, 
funções avançadas de diagnóstico, totalização com persistência e 
um bloco PID, onde em muitas aplicações dispensa o uso de um 
controlador. Veja figura 13 a 16. 
Figura 13 – Super Chip HART – HT3012 – Smar
A figura 14 mostra o diagrama funcional do LD301, segundo os 
padrões HART: 
Para conhecer a linha completa de equipamentos de campo Smar 
acesse: www.smar.com.br
Figura 14 – Diagrama funcional do LD301
Figura 15 – Uso do LD301 como controlador, dispensando o uso do 
controlador
Figura 16 – Recursos de diagnose facilitando a manutenção
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A convivência de vários protocolos em uma 
mesma planta
Daqui para frente é esperado que a convivência entre vários pro-
tocolos torne-se uma constante, principalmente onde o parque 
instalado for grande e deseja-se preservar os investimentos feitos. 
A figura 17 é um exemplo típico de sistema onde se tem em uma 
mesma planta os protocolos Foundation Fieldbus e HART.Neste 
caso, uma interface HART-FF, o HI302, é utilizado, permitindo con-
exões ponto-a-ponto e multidrop. O HI302 é uma ponte entre 
equipamentos HART e sistemas Foundation Fieldbus, possui 8 ca-
nais HART master e permite ao usuário executar manutenção, 
calibração, monitoramento de status do sensor, status geral do 
equipamento, dentre outras informações.
Figura 17 – Integração Foundation Fieldbus e HART usando o HI302
O uso de FDT e DTMs na configuração de equi-
pamentos HART
A tecnologia baseada em FDT( Field Device Tool) e DTM(Device 
Type Manager) permite ao usuário ganhar versatilidade e flexibili-
dade de configuração, parametrização, calibração e principalmente
mecanismos de download e upload durante a fase de planeja-
mento/comissionamento dos projetos. É uma tecnologia aberta, 
e que permite que um DTM de um equipamento de campo rode 
em qualquer frame application suportando FDT e ainda permite 
usar um único ambiente de software para integrar produtos de 
diferentes fabricantes e protocolos. O DTM é um “driver”, ou 
seja, é um componente de software (DLL, EXE) que representa 
cada equipamento que estiver na planta. Este “driver” obedece 
à norma FDT e pode ser usado em qualquer Frame Application, 
independente do fabricante. A figura 18 mostra um configurador
baseado nesta tecnologia e o DTM do LD301.
Conclusão
Pudemos ver alguns detalhes do protocolo aberto HART, com 
uma visão um pouco diferente do que se tem em nível de usuário, 
isto é, envolvendo detalhes técnicos deste padrão. Além disso, vi-
mos o quê se tem em termos de desenvolvimento de chips HART 
avançados e os benefícios em performance, recursos e funcionali-
dades de um transmissor de pressão com este desenvolvimento. E 
ainda, a integração de fieldbus com HART e o uso do FDT e DTM 
na configuração HART.
Referências:
•	 Material de treinamento LD301 Smar, César Cassiolato, 2003.
•	 Manuais de equipamentos HART Smar.
•	 www.smar.com.br
Figura 18 – Utilização de FDT e DTM com o HART