用HART通信协议实现管道煤气压力的测量?

【摘　要】　讨论了HART（Highway Addressable Remote Transducer）通信协议。选用智能现场设备，设计了HART调制解调器。利用HART通信协议设计了低价格、高精度的管道煤气压力测量方案。
    关键词：HART通信协议，HART调制解调器，智能现场设备，压力测量
 
　　远方数据采集和控制在工业现场监控中有着重要的作用。在传统的数据采集与控制（SCADA）系统中，现场测量与控制设备通常采用interwetten与威廉的赔率体系 信号。随着计算机威廉希尔官方网站 的发展，用来完成测量和调节的现场设备多数含有嵌入式微处理器，即智能现场设备。它意味着低测量成本和高精度的数据。现场总线威廉希尔官方网站 建立了现场设备和远程监控计算机之间的数据传输与信息交换，它以数字信号代替传统的模拟信号，为开放性的总线网络标准。HART通信协议属现场总线范畴。本文应用HART通信协议，设计了城市管道煤气压力测量方案。

1　HART通信协议介绍
　　HART（Highway Addressable RemoteTransducer）通信协议是Rosemount公司在1986年为其智能变送器而提出的。随着不断的发展和其应用范围的扩大，1989年又成立了HART用户集团，1993年又成立了HART通信基金会（HCF）。不同于其它全数字化的现场总线威廉希尔官方网站 ，HART通信协议借助于传统的模拟信号传输威廉希尔官方网站 。它采用FSK威廉希尔官方网站 ，在4～20mA模拟测量信号上叠加了一个载频信号，使模拟信号和数字信号的双向通信能同时进行而不互相干扰。HART通信协议也可以在一根通信线上以全数字的方式通信，支持15个现场设备，完成信号测量、设备配置、设备标定和状态检测。HART通信协议具有与其它现场总线类似的体系结构。它以国际标准化组织开放性互连模型为参照，对应于OSI协议的1、2、7层协议（物理层：Bell202，数据链路层：HART通信协议规范，应用层：HART命令）。
　　物理层规定了HART通信采用基于FSK的Bell202协议。波特率1200bps，逻辑0为2200Hz，逻辑1为1100Hz。由于正弦波信号的平均值为零，HART通信信号不会影响4～20mA信号的平均值。其组网方式有“点对点网络”和“多点网络”两种。如果要求现场设备同时传递数字和模拟信号，只能采用点对点方式。在多点网络中无法辨识出不同现场设备的模拟信号。数据链路层规定了通信数据结构。每个字符由11位组成，1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和一个停止位。HART数据的字节数不是恒定的，每帧HART数据有一个垂直校验字节。图1给出了HART数据的短帧格式范例。最前面是两个字节的引导符。定界符的高位确定帧的长短。从设备至主设备有两个字节的响应码，含有通信错误、数据链路和设备的状态信息。成组模式的帧格式相应要复杂一些。应用层规定了HART命令，命令分为三类：通用命令、普通应用命令和专用命令，其适用范围不同。对应于不同的组网方式，HART通信协议有两种通信模式：“问答式”和“成组模式”。

2　管道煤气压力监测方案
　　城市中管道煤气分为中压管网和低压管网，若干个调压站分布于城区各处。管道煤气的主要监测任务为进口的中压压力（一般为20～60kPa）和出口的低压压力（一般为1～2kPa）。在调压站处设有监测副站，所设计系统采用问答式工作方式，通信为无线信道，选用Rosemount公司的1151智能型压力变送器，如图2所示，设计了基于HART通信协议的监测副站压力测量方案。

　　1151智能型变送器遵循HART通信协议，同时输出模拟信号和数字信号。利用手持式HART编程器可以设定其过程变量单位、重定量程、设定输出类型、设定阻尼以及标定传感器。1151系列压力变送器有多种不同种类，可用于需准确测量流量、液位、表压、绝压、真空度和比重的场合。1151压力变送器为全密封电容敏感元件的直接电子传感器，测量精度为±0．1％，量程比15：1。如果采用模拟信号传输，须设计A／D转换器且有着较高的精度要求。采用数字信号避免了A／D转换和线路传输的误差，从而可获得高精度的测量数据。
    单台现场设备使用最长距离取3000m，多点网络现场设备使用最长距离取1500m。或者根据公式
 
计算电缆的最大长度。式中，R为网络电阻，单位为Ω；C为单位长度颁电容，单位为pF/m;Cf为现场设备的电容，单位为pF，Cf=CN×5000，CN为现场仪表参数如果现场仪表无CN值，则取CN为1。在工程设计中，取两种方法的最小值。
    智能设备要栓出HART通信信号，要求它有0．25VP－P以上的电平，二线制智能设备信号回路至少有250Ω的电阻才能进行通信。
3　HART调制解调电路的设计
　　从总体设计方案可以看出，HART调制解调电路为设计的一个重要方面。选用Smar公司的HART通信芯片HT2012设计调制解调电路，HT2021是单片CMOS低功耗FSK调制解调芯片，遵循Bell202通信标准，为过程控制仪器和其它低功耗设备提供HART协议的物理层。HT2012由单电源3．5V或5V供电，需要外部460．8kHz时钟，毋须外部的调节或偏置，为半双工工作方式，内部主要有四个功能模块：时钟模块、解调器模块、调制器模块和载波检测模块。HART调制解调器由控制信号决定工作模式为0，由OTXA引脚发送数据为1，由IRXA引脚接收数据。
OCD为载波侦测引脚，当有效载波信号出现时，OCD脚为低电平，通知CPU读入解调数据。从图3接线方式可以看出，当HART调制解调器工作于发送状态时，芯片仍然接收到载波信号，OCD脚还是为低电平，设计程序时应注意到这一点。外部须提供460．8kHz的时钟信号，该信号产生所有内部和外部的定时。19．2kHz为芯片输出信号。设计电路见图3。
　　设计电路为半双工方式。FSK信号耦合方式为变压器耦合，也可采用其它耦合方式。输入信号经过带通滤波器（带宽为1200Hz～2200Hz），然后经方波形成电路送入HT2012。HT2012输出为方波信号，接有滤波电路将信号边缘平滑，滤除寄生信号和谐波。如果传输介质能接收方波信号，输出滤波器也可以省去。两种滤波器应在宽范围具有恒定的相位延这。AT89C51单片机与HT2012接口，产生HT2012的控制信号，完全数据的输入输出。AT89C51单片机同时完全通信接口转换任务，与微型计算机接口。在本设计中，接收数据的分析、判别由上位微型计算机完成。
　　在硬件设计完成后，根据HART通信协议应用层命令进行编程。HART通信协议的有关文档资料中给出了HART命令的详细规范，包括命令格式、数据格式和响应码格式。从HART通信基金会网站（http：／／www．hartcomm．org）可查阅到有关资料。
4　结束语
　　HART通信协议被认为是事实上的工业标准。
模拟信号和数字信号的同时传输给监控系统带来了更大的灵活性。它的不足之处主要是速度较慢。由于目前4～20mA标准现场设备大量存在，HART
通信协议仍有较广的应用范围。在本文的工程应用背景下，利用HART通信协议设计了低价格、高精度的测量方案。设计思想具有普遍意义，适用于其它工业现场的监控任务。
1　阳宪惠．现场总线威廉希尔官方网站 及其应用．北京：清华大学出版社，1999
2　蔡建新，卢爱明．HART调制解调器HT－2012的原理和应用．电子威廉希尔官方网站 应用，1999（5）