传统变送器的HART改造

（2005年1月）

摘要   简单介绍了HART通信协议的物理层、数据链路层、应用层的规范。并在对其中关键技术和器件的选择进行分析的基础上，重点分析了如何实现传统模拟变送器向HART协议智能变送器的改造。

关键词    HART   FSK  HART协议变送器

0         引言

上世纪70年代中期，统一的两线制4~20mA标准信号促进了工业过程控制系统的发展，在目前运行的过程控制系统中仍然占据着相当大的比例。但是采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差，受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及稳定性都比较差，受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及稳定性都比较差。近年来，随着微电子技术的迅速发展，集成电路产品性能迅速提高，价格和功耗逐步下降，智能型变送器以其较高的性价比逐渐占据了市场的主流地位。为了使不同制造商生产的变送器能够更方便地集成在同一个系统中，国际上一些大的厂商和标准化组织制定了一些开放地协议标准。在过程控制领域，HART协议智能变送器和FF协议智能变送器实际上分别代表了现在和未来的过程控制变送器工业标准。

1         HART协议简介

HART（highway  addressable  remote  transducer,可寻址远程传感器通路）是用于控制系统与现场智能变送器的一种工业标准通信协议，由美国Rosemount公司在1986年制定，并在其后几年进行了修订、增补后作为开放标准由HART通信基金会向世界发布。

与其它只支持数字信号传输的现场总线协议相比，HART协议智能变送器的最大特点就是在传输数字通信信号的同时，保留了4~20mA标准控制信号，可以直接替换原有的模拟仪表，从而成为改造原有模拟设备的理想选择。与模拟仪表相比，HART智能仪表在成本不增加太大的前提下，具有易于调试、维护和精度更高的优点，因而在当前的过渡时期具有很强的市场竞争力。在全世界范围内，新安装的现象变送器中已有超过70％符合HART协议标准。国内由于起步较晚，HART智能变送器所占的比例还比较低，但经过几年来的推广，近年已经获得迅猛的发展。

HART通信协议采用了OSI通信协议参考模型中的第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层，省略了中间各层。

HART通信协议的物理层是在4~20mA的模拟信号上叠加Bell202标准的频移键控信号，用两个不同的频率1200Hz和2200Hz来表示二进制的1和0，通信传输速率固定为1200band。由于叠加在直流上的双频率正弦波平均值为0，因而不影响4~20mA的模拟信号。HART协议规定：HART协议主设备（主控制系统或手持器）传送是一个电压信号，电压峰峰值为400~600mV；HART协议从设备（现场设备）传送的是一个电流信号，电压峰峰值为400~600mV；HART协议从设备（现场设备）传送的是一个电流信号，电流峰峰值为0.8~1.2mA。

HART的数据链路层规定了通信数据的结构、通信模式、用户接口原语等。HART通信协议为主从式协议，即现场设备只有在被主设备请求时才作出响应。HART协议允许在同一通信链路中存在两个主设备，第一主设备通常是计算机或控制室设备，第二主设备通常是手持通信器。

HART通信协议的应用层命令被定义为三类：通用命令、常用命令、设备专用命令。通用命令的代码范围是0~30，它们提供的所有符合HART通信协议的现场设备所完成的功能，目的是确保在大量并不断增长的来自不同供应商的符合HART协议的设备间可互操作，并在日常工厂操作中访问数据。常用命令的代码范围是32~126，它们提供大部分符合HART通信协议（但不是全部）的现场设备完成的功能。设备专用命令的代码范围是128~253，它们提供由基本上唯一的特殊现场设备说完成的功能。

在一个大的系统中，往往集成了多个厂商的变送器。从用户角度出发，希望用一个手持器就可以对所有的变送器进行一些常用的操作，这就涉及到了互操作性。为了保证HART协议产品符合互操作性要求，HART基金会要求其协议产品必须经过HART基金会的互操作性和一致性测试。HART协议现场设备的种类繁多，所以认证测试工作变得尤为突出，应进行HART协议产品物理层测试、数据链路层及应用层测试、互操作性测试、设备描述登记等几项工作。

2         传统变送器与HART智能变送器比较

传统的4~20mA模拟变送器的生产过程通常是根据用户的订货需要，通过调整零点、线性、增益电位器等方式使变送器的输出符合用户的需求。为了获得比较高的精度，往往需要反复调整，生产效率非常低。投入使用后，如果用户需要改变变送器的量程，或者在经过长时间运行后仪表出现了漂移而超出了允许精度，往往就需要返回生产厂家对变送器重新进行调校。

   与传统4~20mA模拟变送器相比，HART智能变送器可以根据用户的不同需求，方便地设置变送器的量程，并且在生产过程中可以针对传感器的线性度误差和温度漂移等特性进行相应的数字特征线性化和数字温度补偿等操作，从而具有生产效率高、精度高、温度漂移小等优点。以上的组态、线性化等操作都可以通过组态软件方便地实现，在现场投运后，也可以通过按键或者手持设备在线调整智能变送器参数，所以使现场维护的工作量大大降低。

HART智能变送器在系统调试时注意以下方面：

①最小端电压   这是仪表可以正常工作的最小电压。在回路电流达到最大值时（例如上限饱和，输出固定21mA），供电电压减去负载及电缆压将后必须高于最小端电压。

②负载电阻  HART协议规定，通信负载电阻范围为230~1100 。在此范围内，适当加大负载电阻可以增强通信时的抗干扰能力，提高通信可靠性，但同时会减小仪表的供电电压。所以在实际使用中，需要根据供电电压及变送器最小端电压的要求合理选择负载电阻。

③电缆分布电容   在实际运行中曾有过模拟输出信号正常，但不能通信的现场。经分析是由于电缆太长、分布电容太大，致使网络时间常数过大、通信波形严重失真而无法通信，此时可以通过更换合适的电缆来解决。

3         传统变送器的HART改造

典型HART智能仪表的电路组成一般包括电源模块、传感器接口电路、A/D转换电路、MCU、D/A输出电路和HART通信电路等，如图1所示。

             图1 HART智能仪表电路结构示意图

电源模块的功能是将环路24V电压转换为仪表各部分工作所需要的供电电压；传感器接口用于向传感器提供激励，并将传感器的输出信号引入到A/D转换器的模拟输入接口；A/D转换部分将此模拟信号转换为数字量供MCU使用；存储器中可以存放各种组态信息、特征化数据等；D/A输出部分完成电压到环路电流的转换；HART通信模块用于HART协议物理层的实现；单片机（MCU）则是整个智能仪表的核心，具有协调其余部分的运行，完成运算、HART数据链路层、HART应用层等功能。

一个完整的工作过程通常为：首先将传感器输入的模拟信号转换为微处理器可以处理的数字信号；根据此数字信号和生产过程中获得的组态信息、特征化数据等，计算出相应的过程变量和以数字表示的模拟输出量；再经过D/A变换，将此模拟量输出到4~20mA回路上。从这个工作过程可以看出，影响HART变送器精度的两个关键部分分别是A/D转换和D/A转换。

下面以常用的1151压力变送器举例说明应该如何选择合适的A/D和D/A转换芯片。假设要求仪表的数字精度达到0.1％、量程压缩比优于6∶1，那么A/D转换芯片的精度至少要达到0.017%F.S(全量程)。实际上，考虑到分辨率至少要有所需精度4倍的裕量，所以，A/D的分辨率应该达到0.017％F.S，这就要求15位以上的分辨率。常用于智能变送器的低功耗A/D转换器包括AD7715、MAX1400、LTC2415等，这些A/D转换器的特点是分辨率高、功耗低，内部集成了可编程增益放大器。

HART变送器还有一个很重要的部分就是电流输出。对电流源的要求包括输出精度和温度稳定性。4~20mA输出的变送器其报警电流通常设计为小于3.9mA（低报警模式）或者大于21mA（高报警模式），以区别正常工作状态和异常工作状态（报警状态时，电流值取决于选择的报警设置而不是当前的实际压力值）。考虑到裕量，其有效电流输出范围至少为20mA。如果我们选择分辨率为12位的D/A，可以容易地计算出其分辨率为4.9 （即D/A输出最低位的变化影响量为49 ），这样的分辨率在某些应用上是不允许的。为了保证足够的分辨率，通常应该选择分辨率不小于14位的D/A转换器。

通常采用以下两种方式之一实现可控电流输出控制：一种是使用D/A转换芯片输出希望的电压，然后使用模拟电路以此电压信号控制回路电流的输出；另一种是采用集成的电流输出控制芯片，如AD21等。如果选择第一种方式，由于在进行电压/电流转换过程中需要利用一些分立的电阻、电容等器件，所以其可靠性较低。这些分立电阻、电容等器件的温度漂移也将直接影响回路电流的输出。采用集成的电流输出控制芯片则可以达到非常高的电流精度，温度漂移也比较小。

现在市场上出现了一些低成本的HART协议智能板，在使用这些智能板构成的变送器测试时发现存在着许多问题，比较突出的有以下几个方面：

①智能板卡没有使用HART协议通信专用的调制解调芯片如HT2012等，而只是对HART通信波形进行了简单的调制和解调，其通信波形甚至是方波。由于方波在传输过程中容易受到干扰，也容易对与其连接的其它设备造成干扰，因此不能可靠通信。并且板卡的通信阻抗、噪声灵敏度和通信载波等指标一般达不到HART物理层协议规定的标准，所以不能通过HART通信物理层的测试。如果将多个仪表接入同一个电流回路中，有可能导致从设备和主设备等设备之间相互干扰而不能正常通信。

②智能板卡只能对第二主设备响应，不支持第一主设备。这意味着这些仪表只能对手持器进行响应，而不能和通常作为第一主设备的计算机或控制室设备正常通信，数据链路层不能通过HART基金会测试。如果采用这些板卡生产的仪表组网，则由于其在数据链路层和物理层不符合HART协议的要求，所以存在通信不可靠等危险。

③为了降低智能板卡成本，采用了12位的D/A和模拟电路方式，其电流输出的精度和温度稳定性往往不能得到很好的保证。

目前每个厂家单独开发智能板卡在经济上和时间上都不具备优势，所以大都采取合作的方式共同生产。此时HART板卡的质量、售后服务等对变送器的可靠性尤为重要。如果只考虑到眼前的价格因素而忽略板卡质量，这对于仪表厂商往往是得不偿失的。因此，在对传统的模拟仪表进行HART改造时，一定要根据自己的需求，综合考虑性能、成本等因素，选择合适的智能板卡。