用HART通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)管道煤氣壓力的測(cè)量?

【摘　要】　討論了HART（Highway Addressable Remote Transducer）通信協(xié)議。選用智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，設(shè)計(jì)了HART調(diào)制解調(diào)器。利用HART通信協(xié)議設(shè)計(jì)了低價(jià)格、高精度的管道煤氣壓力測(cè)量方案。
??? 關(guān)鍵詞：HART通信協(xié)議，HART調(diào)制解調(diào)器，智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，壓力測(cè)量
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　　遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集和控制在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中有著重要的作用。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制（SCADA）系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量與控制設(shè)備通常采用模擬信號(hào)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，用來完成測(cè)量和調(diào)節(jié)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多數(shù)含有嵌入式微處理器，即智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。它意味著低測(cè)量成本和高精度的數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)建立了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，它以數(shù)字信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號(hào)，為開放性的總線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。HART通信協(xié)議屬現(xiàn)場(chǎng)總線范疇。本文應(yīng)用HART通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了城市管道煤氣壓力測(cè)量方案。

1　HART通信協(xié)議介紹
　　HART（Highway Addressable RemoteTransducer）通信協(xié)議是Rosemount公司在1986年為其智能變送器而提出的。隨著不斷的發(fā)展和其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，1989年又成立了HART用戶集團(tuán)，1993年又成立了HART通信基金會(huì)（HCF）。不同于其它全數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，HART通信協(xié)議借助于傳統(tǒng)的模擬信號(hào)傳輸技術(shù)。它采用FSK技術(shù)，在4～20mA模擬測(cè)量信號(hào)上疊加了一個(gè)載頻信號(hào)，使模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的雙向通信能同時(shí)進(jìn)行而不互相干擾。HART通信協(xié)議也可以在一根通信線上以全數(shù)字的方式通信，支持15個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，完成信號(hào)測(cè)量、設(shè)備配置、設(shè)備標(biāo)定和狀態(tài)檢測(cè)。HART通信協(xié)議具有與其它現(xiàn)場(chǎng)總線類似的體系結(jié)構(gòu)。它以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織開放性互連模型為參照，對(duì)應(yīng)于OSI協(xié)議的1、2、7層協(xié)議（物理層：Bell202，數(shù)據(jù)鏈路層：HART通信協(xié)議規(guī)范，應(yīng)用層：HART命令）。
　　物理層規(guī)定了HART通信采用基于FSK的Bell202協(xié)議。波特率1200bps，邏輯0為2200Hz，邏輯1為1100Hz。由于正弦波信號(hào)的平均值為零，HART通信信號(hào)不會(huì)影響4～20mA信號(hào)的平均值。其組網(wǎng)方式有“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)”和“多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)”兩種。如果要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備同時(shí)傳遞數(shù)字和模擬信號(hào)，只能采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式。在多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中無法辨識(shí)出不同現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的模擬信號(hào)。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)字符由11位組成，1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位。HART數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)不是恒定的，每幀HART數(shù)據(jù)有一個(gè)垂直校驗(yàn)字節(jié)。圖1給出了HART數(shù)據(jù)的短幀格式范例。最前面是兩個(gè)字節(jié)的引導(dǎo)符。定界符的高位確定幀的長(zhǎng)短。從設(shè)備至主設(shè)備有兩個(gè)字節(jié)的響應(yīng)碼，含有通信錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)鏈路和設(shè)備的狀態(tài)信息。成組模式的幀格式相應(yīng)要復(fù)雜一些。應(yīng)用層規(guī)定了HART命令，命令分為三類：通用命令、普通應(yīng)用命令和專用命令，其適用范圍不同。對(duì)應(yīng)于不同的組網(wǎng)方式，HART通信協(xié)議有兩種通信模式：“問答式”和“成組模式”。

2　管道煤氣壓力監(jiān)測(cè)方案
　　城市中管道煤氣分為中壓管網(wǎng)和低壓管網(wǎng)，若干個(gè)調(diào)壓站分布于城區(qū)各處。管道煤氣的主要監(jiān)測(cè)任務(wù)為進(jìn)口的中壓壓力（一般為20～60kPa）和出口的低壓壓力（一般為1～2kPa）。在調(diào)壓站處設(shè)有監(jiān)測(cè)副站，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用問答式工作方式，通信為無線信道，選用Rosemount公司的1151智能型壓力變送器，如圖2所示，設(shè)計(jì)了基于HART通信協(xié)議的監(jiān)測(cè)副站壓力測(cè)量方案。

　　1151智能型變送器遵循HART通信協(xié)議，同時(shí)輸出模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。利用手持式HART編程器可以設(shè)定其過程變量單位、重定量程、設(shè)定輸出類型、設(shè)定阻尼以及標(biāo)定傳感器。1151系列壓力變送器有多種不同種類，可用于需準(zhǔn)確測(cè)量流量、液位、表壓、絕壓、真空度和比重的場(chǎng)合。1151壓力變送器為全密封電容敏感元件的直接電子傳感器，測(cè)量精度為±0．1％，量程比15：1。如果采用模擬信號(hào)傳輸，須設(shè)計(jì)A／D轉(zhuǎn)換器且有著較高的精度要求。采用數(shù)字信號(hào)避免了A／D轉(zhuǎn)換和線路傳輸?shù)恼`差，從而可獲得高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。
??? 單臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用最長(zhǎng)距離取3000m，多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用最長(zhǎng)距離取1500m?；蛘吒鶕?jù)公式
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計(jì)算電纜的最大長(zhǎng)度。式中，R為網(wǎng)絡(luò)電阻，單位為Ω；C為單位長(zhǎng)度頒電容，單位為pF/m;Cf為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電容，單位為pF，Cf=CN×5000，CN為現(xiàn)場(chǎng)儀表參數(shù)如果現(xiàn)場(chǎng)儀表無CN值，則取CN為1。在工程設(shè)計(jì)中，取兩種方法的最小值。
??? 智能設(shè)備要栓出HART通信信號(hào)，要求它有0．25VP－P以上的電平，二線制智能設(shè)備信號(hào)回路至少有250Ω的電阻才能進(jìn)行通信。
3　HART調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì)
　　從總體設(shè)計(jì)方案可以看出，HART調(diào)制解調(diào)電路為設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。選用Smar公司的HART通信芯片HT2012設(shè)計(jì)調(diào)制解調(diào)電路，HT2021是單片CMOS低功耗FSK調(diào)制解調(diào)芯片，遵循Bell202通信標(biāo)準(zhǔn)，為過程控制儀器和其它低功耗設(shè)備提供HART協(xié)議的物理層。HT2012由單電源3．5V或5V供電，需要外部460．8kHz時(shí)鐘，毋須外部的調(diào)節(jié)或偏置，為半雙工工作方式，內(nèi)部主要有四個(gè)功能模塊：時(shí)鐘模塊、解調(diào)器模塊、調(diào)制器模塊和載波檢測(cè)模塊。HART調(diào)制解調(diào)器由控制信號(hào)決定工作模式為0，由OTXA引腳發(fā)送數(shù)據(jù)為1，由IRXA引腳接收數(shù)據(jù)。
OCD為載波偵測(cè)引腳，當(dāng)有效載波信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，OCD腳為低電平，通知CPU讀入解調(diào)數(shù)據(jù)。從圖3接線方式可以看出，當(dāng)HART調(diào)制解調(diào)器工作于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，芯片仍然接收到載波信號(hào)，OCD腳還是為低電平，設(shè)計(jì)程序時(shí)應(yīng)注意到這一點(diǎn)。外部須提供460．8kHz的時(shí)鐘信號(hào)，該信號(hào)產(chǎn)生所有內(nèi)部和外部的定時(shí)。19．2kHz為芯片輸出信號(hào)。設(shè)計(jì)電路見圖3。
　　設(shè)計(jì)電路為半雙工方式。FSK信號(hào)耦合方式為變壓器耦合，也可采用其它耦合方式。輸入信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器（帶寬為1200Hz～2200Hz），然后經(jīng)方波形成電路送入HT2012。HT2012輸出為方波信號(hào)，接有濾波電路將信號(hào)邊緣平滑，濾除寄生信號(hào)和諧波。如果傳輸介質(zhì)能接收方波信號(hào)，輸出濾波器也可以省去。兩種濾波器應(yīng)在寬范圍具有恒定的相位延這。AT89C51單片機(jī)與HT2012接口，產(chǎn)生HT2012的控制信號(hào)，完全數(shù)據(jù)的輸入輸出。AT89C51單片機(jī)同時(shí)完全通信接口轉(zhuǎn)換任務(wù)，與微型計(jì)算機(jī)接口。在本設(shè)計(jì)中，接收數(shù)據(jù)的分析、判別由上位微型計(jì)算機(jī)完成。
　　在硬件設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)HART通信協(xié)議應(yīng)用層命令進(jìn)行編程。HART通信協(xié)議的有關(guān)文檔資料中給出了HART命令的詳細(xì)規(guī)范，包括命令格式、數(shù)據(jù)格式和響應(yīng)碼格式。從HART通信基金會(huì)網(wǎng)站（http：／／www．hartcomm．org）可查閱到有關(guān)資料。
4　結(jié)束語
　　HART通信協(xié)議被認(rèn)為是事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的同時(shí)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)帶來了更大的靈活性。它的不足之處主要是速度較慢。由于目前4～20mA標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備大量存在，HART
通信協(xié)議仍有較廣的應(yīng)用范圍。在本文的工程應(yīng)用背景下，利用HART通信協(xié)議設(shè)計(jì)了低價(jià)格、高精度的測(cè)量方案。設(shè)計(jì)思想具有普遍意義，適用于其它工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控任務(wù)。
1　陽憲惠．現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，1999
2　蔡建新，盧愛明．HART調(diào)制解調(diào)器HT－2012的原理和應(yīng)用．電子技術(shù)應(yīng)用，1999（5）