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模拟信号。随着计算机技术的发展，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。现场总线技术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技术，HART通信协议借助于传统的模拟信号传输技术。它采用FSK技术，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。
　
　参考文献
1　阳宪惠．现场总线技术及其应用．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．电子技术应用，1999（5）