0         引言

上世紀(jì)70年代中期，統(tǒng)一的兩線制4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號促進(jìn)了工業(yè)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展，在目前運(yùn)行的過程控制系統(tǒng)中仍然占據(jù)著相當(dāng)大的比例。但是采用模擬量對傳輸及控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差，受干擾信號影響大，因而整個控制系統(tǒng)的控制效果及穩(wěn)定性都比較差，受干擾信號影響大，因而整個控制系統(tǒng)的控制效果及穩(wěn)定性都比較差。近年來，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，集成電路產(chǎn)品性能迅速提高，價格和功耗逐步下降，智能型變送器以其較高的性價比逐漸占據(jù)了市場的主流地位。為了使不同制造商生產(chǎn)的變送器能夠更方便地集成在同一個系統(tǒng)中，國際上一些大的廠商和標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了一些開放地協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在過程控制領(lǐng)域，HART協(xié)議智能變送器和FF協(xié)議智能變送器實際上分別代表了現(xiàn)在和未來的過程控制變送器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1         HART協(xié)議簡介

HART（highway  addressable  remote  transducer,可尋址遠(yuǎn)程傳感器通路）是用于控制系統(tǒng)與現(xiàn)場智能變送器的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，由美國Rosemount公司在1986年制定，并在其后幾年進(jìn)行了修訂、增補(bǔ)后作為開放標(biāo)準(zhǔn)由HART通信基金會向世界發(fā)布。

與其它只支持?jǐn)?shù)字信號傳輸?shù)默F(xiàn)場總線協(xié)議相比，HART協(xié)議智能變送器的最大特點就是在傳輸數(shù)字通信信號的同時，保留了4~20mA標(biāo)準(zhǔn)控制信號，可以直接替換原有的模擬儀表，從而成為改造原有模擬設(shè)備的理想選擇。與模擬儀表相比，HART智能儀表在成本不增加太大的前提下，具有易于調(diào)試、維護(hù)和精度更高的優(yōu)點，因而在當(dāng)前的過渡時期具有很強(qiáng)的市場競爭力。在全世界范圍內(nèi)，新安裝的現(xiàn)象變送器中已有超過70％符合HART協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)由于起步較晚，HART智能變送器所占的比例還比較低，但經(jīng)過幾年來的推廣，近年已經(jīng)獲得迅猛的發(fā)展。

HART通信協(xié)議采用了OSI通信協(xié)議參考模型中的第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層，省略了中間各層。

HART通信協(xié)議的物理層是在4~20mA的模擬信號上疊加Bell202標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控信號，用兩個不同的頻率1200Hz和2200Hz來表示二進(jìn)制的1和0，通信傳輸速率固定為1200band。由于疊加在直流上的雙頻率正弦波平均值為0，因而不影響4~20mA的模擬信號。HART協(xié)議規(guī)定：HART協(xié)議主設(shè)備（主控制系統(tǒng)或手持器）傳送是一個電壓信號，電壓峰峰值為400~600mV；HART協(xié)議從設(shè)備（現(xiàn)場設(shè)備）傳送的是一個電流信號，電壓峰峰值為400~600mV；HART協(xié)議從設(shè)備（現(xiàn)場設(shè)備）傳送的是一個電流信號，電流峰峰值為0.8~1.2mA。

HART的數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、通信模式、用戶接口原語等。HART通信協(xié)議為主從式協(xié)議，即現(xiàn)場設(shè)備只有在被主設(shè)備請求時才作出響應(yīng)。HART協(xié)議允許在同一通信鏈路中存在兩個主設(shè)備，第一主設(shè)備通常是計算機(jī)或控制室設(shè)備，第二主設(shè)備通常是手持通信器。

HART通信協(xié)議的應(yīng)用層命令被定義為三類：通用命令、常用命令、設(shè)備專用命令。通用命令的代碼范圍是0~30，它們提供的所有符合HART通信協(xié)議的現(xiàn)場設(shè)備所完成的功能，目的是確保在大量并不斷增長的來自不同供應(yīng)商的符合HART協(xié)議的設(shè)備間可互操作，并在日常工廠操作中訪問數(shù)據(jù)。常用命令的代碼范圍是32~126，它們提供大部分符合HART通信協(xié)議（但不是全部）的現(xiàn)場設(shè)備完成的功能。設(shè)備專用命令的代碼范圍是128~253，它們提供由基本上唯一的特殊現(xiàn)場設(shè)備說完成的功能。

在一個大的系統(tǒng)中，往往集成了多個廠商的變送器。從用戶角度出發(fā)，希望用一個手持器就可以對所有的變送器進(jìn)行一些常用的操作，這就涉及到了互操作性。為了保證HART協(xié)議產(chǎn)品符合互操作性要求，HART基金會要求其協(xié)議產(chǎn)品必須經(jīng)過HART基金會的互操作性和一致性測試。HART協(xié)議現(xiàn)場設(shè)備的種類繁多，所以認(rèn)證測試工作變得尤為突出，應(yīng)進(jìn)行HART協(xié)議產(chǎn)品物理層測試、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層測試、互操作性測試、設(shè)備描述登記等幾項工作。

2         傳統(tǒng)變送器與HART智能變送器比較

傳統(tǒng)的4~20mA模擬變送器的生產(chǎn)過程通常是根據(jù)用戶的訂貨需要，通過調(diào)整零點、線性、增益電位器等方式使變送器的輸出符合用戶的需求。為了獲得比較高的精度，往往需要反復(fù)調(diào)整，生產(chǎn)效率非常低。投入使用后，如果用戶需要改變變送器的量程，或者在經(jīng)過長時間運(yùn)行后儀表出現(xiàn)了漂移而超出了允許精度，往往就需要返回生產(chǎn)廠家對變送器重新進(jìn)行調(diào)校。

   與傳統(tǒng)4~20mA模擬變送器相比，HART智能變送器可以根據(jù)用戶的不同需求，方便地設(shè)置變送器的量程，并且在生產(chǎn)過程中可以針對傳感器的線性度誤差和溫度漂移等特性進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字特征線性化和數(shù)字溫度補(bǔ)償?shù)炔僮鳎瑥亩哂猩a(chǎn)效率高、精度高、溫度漂移小等優(yōu)點。以上的組態(tài)、線性化等操作都可以通過組態(tài)軟件方便地實現(xiàn)，在現(xiàn)場投運(yùn)后，也可以通過按鍵或者手持設(shè)備在線調(diào)整智能變送器參數(shù)，所以使現(xiàn)場維護(hù)的工作量大大降低。

HART智能變送器在系統(tǒng)調(diào)試時注意以下方面：

①最小端電壓   這是儀表可以正常工作的最小電壓。在回路電流達(dá)到最大值時（例如上限飽和，輸出固定21mA），供電電壓減去負(fù)載及電纜壓將后必須高于最小端電壓。

②負(fù)載電阻  HART協(xié)議規(guī)定，通信負(fù)載電阻范圍為230~1100 。在此范圍內(nèi)，適當(dāng)加大負(fù)載電阻可以增強(qiáng)通信時的抗干擾能力，提高通信可靠性，但同時會減小儀表的供電電壓。所以在實際使用中，需要根據(jù)供電電壓及變送器最小端電壓的要求合理選擇負(fù)載電阻。

③電纜分布電容   在實際運(yùn)行中曾有過模擬輸出信號正常，但不能通信的現(xiàn)場。經(jīng)分析是由于電纜太長、分布電容太大，致使網(wǎng)絡(luò)時間常數(shù)過大、通信波形嚴(yán)重失真而無法通信，此時可以通過更換合適的電纜來解決。

3         傳統(tǒng)變送器的HART改造

典型HART智能儀表的電路組成一般包括電源模塊、傳感器接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、MCU、D/A輸出電路和HART通信電路等，如圖1所示。

             圖1 HART智能儀表電路結(jié)構(gòu)示意圖

電源模塊的功能是將環(huán)路24V電壓轉(zhuǎn)換為儀表各部分工作所需要的供電電壓；傳感器接口用于向傳感器提供激勵，并將傳感器的輸出信號引入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入接口；A/D轉(zhuǎn)換部分將此模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供MCU使用；存儲器中可以存放各種組態(tài)信息、特征化數(shù)據(jù)等；D/A輸出部分完成電壓到環(huán)路電流的轉(zhuǎn)換；HART通信模塊用于HART協(xié)議物理層的實現(xiàn)；單片機(jī)（MCU）則是整個智能儀表的核心，具有協(xié)調(diào)其余部分的運(yùn)行，完成運(yùn)算、HART數(shù)據(jù)鏈路層、HART應(yīng)用層等功能。

一個完整的工作過程通常為：首先將傳感器輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為微處理器可以處理的數(shù)字信號；根據(jù)此數(shù)字信號和生產(chǎn)過程中獲得的組態(tài)信息、特征化數(shù)據(jù)等，計算出相應(yīng)的過程變量和以數(shù)字表示的模擬輸出量；再經(jīng)過D/A變換，將此模擬量輸出到4~20mA回路上。從這個工作過程可以看出，影響HART變送器精度的兩個關(guān)鍵部分分別是A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換。

下面以常用的1151壓力變送器舉例說明應(yīng)該如何選擇合適的A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片。假設(shè)要求儀表的數(shù)字精度達(dá)到0.1％、量程壓縮比優(yōu)于6∶1，那么A/D轉(zhuǎn)換芯片的精度至少要達(dá)到0.017%F.S(全量程)。實際上，考慮到分辨率至少要有所需精度4倍的裕量，所以，A/D的分辨率應(yīng)該達(dá)到0.017％F.S，這就要求15位以上的分辨率。常用于智能變送器的低功耗A/D轉(zhuǎn)換器包括AD7715、MAX1400、LTC2415等，這些A/D轉(zhuǎn)換器的特點是分辨率高、功耗低，內(nèi)部集成了可編程增益放大器。

HART變送器還有一個很重要的部分就是電流輸出。對電流源的要求包括輸出精度和溫度穩(wěn)定性。4~20mA輸出的變送器其報警電流通常設(shè)計為小于3.9mA（低報警模式）或者大于21mA（高報警模式），以區(qū)別正常工作狀態(tài)和異常工作狀態(tài)（報警狀態(tài)時，電流值取決于選擇的報警設(shè)置而不是當(dāng)前的實際壓力值）?？紤]到裕量，其有效電流輸出范圍至少為20mA。如果我們選擇分辨率為12位的D/A，可以容易地計算出其分辨率為4.9 （即D/A輸出最低位的變化影響量為49 ），這樣的分辨率在某些應(yīng)用上是不允許的。為了保證足夠的分辨率，通常應(yīng)該選擇分辨率不小于14位的D/A轉(zhuǎn)換器。

通常采用以下兩種方式之一實現(xiàn)可控電流輸出控制：一種是使用D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出希望的電壓，然后使用模擬電路以此電壓信號控制回路電流的輸出；另一種是采用集成的電流輸出控制芯片，如AD21等。如果選擇第一種方式，由于在進(jìn)行電壓/電流轉(zhuǎn)換過程中需要利用一些分立的電阻、電容等器件，所以其可靠性較低。這些分立電阻、電容等器件的溫度漂移也將直接影響回路電流的輸出。采用集成的電流輸出控制芯片則可以達(dá)到非常高的電流精度，溫度漂移也比較小。

現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了一些低成本的HART協(xié)議智能板，在使用這些智能板構(gòu)成的變送器測試時發(fā)現(xiàn)存在著許多問題，比較突出的有以下幾個方面：

①智能板卡沒有使用HART協(xié)議通信專用的調(diào)制解調(diào)芯片如HT2012等，而只是對HART通信波形進(jìn)行了簡單的調(diào)制和解調(diào)，其通信波形甚至是方波。由于方波在傳輸過程中容易受到干擾，也容易對與其連接的其它設(shè)備造成干擾，因此不能可靠通信。并且板卡的通信阻抗、噪聲靈敏度和通信載波等指標(biāo)一般達(dá)不到HART物理層協(xié)議規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，所以不能通過HART通信物理層的測試。如果將多個儀表接入同一個電流回路中，有可能導(dǎo)致從設(shè)備和主設(shè)備等設(shè)備之間相互干擾而不能正常通信。

②智能板卡只能對第二主設(shè)備響應(yīng)，不支持第一主設(shè)備。這意味著這些儀表只能對手持器進(jìn)行響應(yīng)，而不能和通常作為第一主設(shè)備的計算機(jī)或控制室設(shè)備正常通信，數(shù)據(jù)鏈路層不能通過HART基金會測試。如果采用這些板卡生產(chǎn)的儀表組網(wǎng)，則由于其在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層不符合HART協(xié)議的要求，所以存在通信不可靠等危險。

③為了降低智能板卡成本，采用了12位的D/A和模擬電路方式，其電流輸出的精度和溫度穩(wěn)定性往往不能得到很好的保證。

目前每個廠家單獨開發(fā)智能板卡在經(jīng)濟(jì)上和時間上都不具備優(yōu)勢，所以大都采取合作的方式共同生產(chǎn)。此時HART板卡的質(zhì)量、售后服務(wù)等對變送器的可靠性尤為重要。如果只考慮到眼前的價格因素而忽略板卡質(zhì)量，這對于儀表廠商往往是得不償失的。因此，在對傳統(tǒng)的模擬儀表進(jìn)行HART改造時，一定要根據(jù)自己的需求，綜合考慮性能、成本等因素，選擇合適的智能板卡。