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　　自80年代初智能變送器問世以來的十幾年時(shí)間中，智能變送器以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過模擬變送器的技術(shù)性能、方便的安裝和維護(hù)等優(yōu)勢不斷地?cái)U(kuò)大在生產(chǎn)中的應(yīng)用，開創(chuàng)了現(xiàn)場儀表的新紀(jì)元［4］。

　　智能變送器的核心技術(shù)之一是現(xiàn)場總線技術(shù)，其中Rosemount公司于80年代中期推出的HART協(xié)議現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)具有兼容4～20mA模擬信號(hào)與數(shù)字通信的性質(zhì)，符合HART協(xié)議的智能變送器可以和4～20mA模擬變送器混合使用，因此比較適合目前工業(yè)界還在大量使用4～20mA模擬變送器的實(shí)際情況。經(jīng)過10年的發(fā)展，HART協(xié)議已成為智能儀表事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［3］。世界上有70多家公司采納了這一協(xié)議，如Foxboro、Smar、ABB、Moore和Honeywell等。世界智能變送器市場中符合HART協(xié)議的已占76%以上［4］。

　　目前，國內(nèi)智能變送器技術(shù)尚在開發(fā)中。由于智能變送器內(nèi)嵌微控制器，因此具有強(qiáng)大的計(jì)算功能，同時(shí)現(xiàn)場總線協(xié)議使其具有雙向數(shù)字通信能力，這兩項(xiàng)功能使智能變送器的設(shè)計(jì)思路與模擬變送器的設(shè)計(jì)思路相比有顯著不同，以前難以想象的一些復(fù)雜的數(shù)字運(yùn)算和強(qiáng)大的人機(jī)界面在開發(fā)智能變送器時(shí)變成可能，數(shù)字化技術(shù)大大提高了變送器的技術(shù)性能和使用的方便性。本文介紹的正是這樣一種符合HART協(xié)議的智能變送器――霍爾液位變送器的設(shè)計(jì)。

　　1　變送器傳感環(huán)節(jié)工作原理

　　霍爾液位變送器以線性霍爾元件作為敏感元件。線性霍爾元件有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，有恒壓供電和恒流供電兩種方式，其輸出與輸入電流強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度成正比。一般線性霍爾元件采用恒流供電方式可以得到比使用恒壓供電方式更好的溫度性能。

　　霍爾液位變送器傳感中，H1和H2是固定于儀表盒中上下兩側(cè)的兩個(gè)霍爾元件，馬蹄形的一對磁棒可以繞儀表盒中一點(diǎn)上下旋轉(zhuǎn)。變送器工作時(shí)，磁鋼根據(jù)液位的變化上下移動(dòng)，通過磁引力帶動(dòng)磁棒上下旋轉(zhuǎn)，從而使切割兩個(gè)霍爾元件的磁力線密度產(chǎn)生變化。由于霍爾元件的輸出與其所處位置的磁場強(qiáng)度成正比，因此，由霍爾元件的輸出可反映磁棒旋轉(zhuǎn)的角度，進(jìn)而反映液位。

　　這種測量液位方法的精度受兩個(gè)因素制約：(1)霍爾元件的溫度特性。線性霍爾元件的溫度系數(shù)最大為0.06%／℃，因此，若要保證變送器測量液位的精度，必須對霍爾元件的輸出進(jìn)行溫度補(bǔ)償。(2)整個(gè)傳感環(huán)節(jié)的非線性。兩個(gè)霍爾元件位置處的磁場強(qiáng)度隨液位的變化而變化的函數(shù)形式非常復(fù)雜，但在總體上是一條單調(diào)曲線，因此可以用分段線性化進(jìn)行補(bǔ)償。

　　2　HART協(xié)議簡介

　　HART通信協(xié)議參照“ISO／OSI”的模型標(biāo)準(zhǔn)，簡化并引用其中三層制定而成，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。這里僅對物理層和應(yīng)用層作簡要介紹，協(xié)議的詳細(xì)資料請查閱參考文獻(xiàn)1～3。

　　物理層規(guī)定了HART通信的物理信號(hào)方式和傳輸介質(zhì)。HART協(xié)議采用了Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)，即在4～20mA的模擬信號(hào)上疊加幅度為0.5mA的正弦調(diào)制波，1200Hz代表邏輯“1”，2200Hz代表邏輯“0”。由于所疊加的正弦信號(hào)平均值為0，所以數(shù)字通信信號(hào)不會(huì)干擾4～20mA的模擬信號(hào)。

　　應(yīng)用層規(guī)定了HART通信命令的內(nèi)容，共分為3類。第1類是通用命令，第2類是普通應(yīng)用命令，協(xié)議對這兩類命令的含義作了詳細(xì)規(guī)定，比如讀制造廠號(hào)及產(chǎn)品型號(hào)，讀主變量值及單位等命令，使符合HART協(xié)議的產(chǎn)品具有一定的互換性。第3類是特殊命令，這是各家公司的產(chǎn)品自己所特有的命令，不互相兼容，如線性化標(biāo)定命令、傳感頭校正系數(shù)微調(diào)命令等。靈活利用智能變送器的數(shù)字通信能力可以大大提高使用變送器的自動(dòng)化水準(zhǔn)，比如本文介紹的變送器使用溫度標(biāo)定命令進(jìn)行溫度標(biāo)定，非常方便。

　　3　變送器整體硬件結(jié)構(gòu)

　　由于關(guān)于符合HART協(xié)議的智能變送器的硬件設(shè)計(jì)已有文章進(jìn)行過詳細(xì)的敘述［4］，因此這里只給出硬件的總體結(jié)構(gòu)。

　　硬件分兩部分:傳感測量輸出部分，包括傳感模塊、AD7715和AD421；HART協(xié)議物理層實(shí)現(xiàn)部分，包括AD421和MODEM。由于本變送器采用電源線和信號(hào)線復(fù)用的二線制，采用HART數(shù)字通信時(shí)要求在最苛刻的情況下，即0.5mA的正弦波電流信號(hào)疊加在4mA電流上時(shí)，智能變送器仍能正常工作和通信，因此整個(gè)智能變送器的硬件電路耗電必須在3.5mA以下。所以，兩部分的硬件設(shè)計(jì)都須符合低功耗這一限制條件。

　　4　變送器傳感測量部分的硬軟件設(shè)計(jì)

　　如前所述，由于低功耗的限制，傳感測量部分(包括兩個(gè)霍爾器件、信號(hào)調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、基準(zhǔn)源)的耗電不能超過1.2mA。

　　兩個(gè)霍爾元件采用恒流源供電，供電電流為0.4mA，由于霍爾元件的輸入電阻較小，所以兩個(gè)霍爾元件串聯(lián)后的壓降不超過2V，因此恒流源可以正常工作。兩個(gè)霍爾元件的輸出電壓分別接到4選1模擬開關(guān)4052的一對輸入端口上。溫度傳感集成電路TMP36用于測量環(huán)境溫度，以對霍爾元件的輸出進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其輸出也接到4052的一對輸入端口上。因?yàn)閮蓚€(gè)霍爾元件在變化磁場中的輸出是差動(dòng)的，即當(dāng)某個(gè)霍爾元件輸出增大時(shí)，另一個(gè)霍爾元件輸出必然減少，因此測量兩個(gè)霍爾元件的差動(dòng)輸出可以得到兩倍于只使用單個(gè)霍爾元件的靈敏度。同時(shí)，由于不同霍爾元件的溫度系數(shù)接近，所以測量兩個(gè)霍爾元件的差動(dòng)輸出還能補(bǔ)償一部分霍爾元件溫漂誤差。

　　4052的輸出端口接到AD7715的輸入端。AD7715是耗電只有0.5mA的采用∑-Δ原理的A／D轉(zhuǎn)換芯片。它內(nèi)部帶程控放大器，可測量滿量程為10mV的輸入電壓，所以可以省去對霍爾元件輸出電壓的差動(dòng)放大電路，而通過切換4052的通道，輪流對兩個(gè)霍爾元件的輸出電壓采樣，然后在軟件中將兩通道的采樣值相減，以此實(shí)現(xiàn)兩個(gè)霍爾元件的差動(dòng)輸出的測量。

　　這個(gè)傳感頭部分的硬件設(shè)計(jì)是相當(dāng)簡潔的。其軟件設(shè)計(jì)包括如下步驟：

　　(1)對霍爾元件H1的輸出采樣，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償；

　　(2)對霍爾元件H2的輸出采樣，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償；

　　(3)將經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)膬蓚€(gè)霍爾元件的輸出采樣值相減，并分段線性化；

　　(4)從步驟1開始循環(huán)，同時(shí)每隔一定時(shí)間對TMP36的輸出采樣。

　　5　霍爾元件的溫度補(bǔ)償方法

　　由于線性霍爾元件在恒流供電使用方式下溫漂系數(shù)最大不超過0.06%／℃，所以必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

　　溫度補(bǔ)償一般有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種方式。使用具有和霍爾元件的溫度特性相匹配的溫度曲線的溫敏器件(比如錳銅絲、溫敏電阻等)可以對霍爾元件的溫漂進(jìn)行硬件方式補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式要求霍爾元件的溫漂系數(shù)比較接近，同時(shí)要求事先測出霍爾元件的溫度系數(shù)，然后挑選匹配的溫敏器件進(jìn)行補(bǔ)償，因此當(dāng)霍爾元件的溫度系數(shù)離散性較大時(shí)不適用。在本變送器中采用了軟件補(bǔ)償方式，因?yàn)檐浖a(bǔ)償方式靈活，必要時(shí)可以單獨(dú)標(biāo)定每一個(gè)霍爾元件的溫度曲線，同時(shí)借助HART協(xié)議的數(shù)字通信接口和手持操作器，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫度標(biāo)定，使用者只需通過手持操作器發(fā)送幾個(gè)專用的命令即可，充分發(fā)揮了智能變送器的優(yōu)越性。

　　在溫度補(bǔ)償之前首先必須制作溫度標(biāo)定表。溫度標(biāo)定表位于EEPROM中，由兩個(gè)一維表組成：(1)溫度表，由在不同溫度標(biāo)定點(diǎn)下對TMP36采樣得到的一系列采樣值組成；(2)霍爾元件輸出采樣值表，由在不同溫度標(biāo)定點(diǎn)下對霍爾元件輸出采樣得到的一系列采樣值組成。

　　溫度標(biāo)定表在溫度標(biāo)定時(shí)通過手持操作器控制變送器自動(dòng)生成。首先讓霍爾元件置于恒定磁場中，并輸出較大的電壓，然后用手持操作器發(fā)出進(jìn)入溫度標(biāo)定模式命令，變送器收到此命令后，就進(jìn)入溫度標(biāo)定模式，開始對兩個(gè)HALL片的輸出交替采樣。當(dāng)操作者等到環(huán)境溫度穩(wěn)定時(shí)，通過手持操作器發(fā)出確定命令，此命令帶一個(gè)指出此標(biāo)定點(diǎn)在溫度標(biāo)定表中位置的參數(shù)。變送器收到此命令時(shí)，將當(dāng)前的TMP36輸出采樣值和霍爾元件的輸出采樣值送到溫度標(biāo)定表指定位置處。操作者在不改變磁場的前提下，改變環(huán)境溫度，就可以標(biāo)定一系列點(diǎn)。溫度標(biāo)定表中的標(biāo)定點(diǎn)數(shù)最大可達(dá)32點(diǎn)，但要求溫度補(bǔ)償表中的溫度值必須從小到大排列。當(dāng)標(biāo)定結(jié)束后，發(fā)出退出溫度標(biāo)定模式命令。變送器收到此命令時(shí)，就退出溫度標(biāo)定模式，并查溫度標(biāo)定表中與25℃最接近的兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，然后通過插值求出霍爾元件在此磁場強(qiáng)度下25℃時(shí)的輸出值V0，存于EEPROM中。

　　變送器在正常工作模式下，對霍爾元件的輸出采樣得到V，對TMP36的輸出采樣得到T，然后根據(jù)T值查溫度表，得到表中離此值最近的兩點(diǎn)溫度值T1、T2以及在霍爾元件輸出采樣值表中對應(yīng)的兩點(diǎn)的值V1、V2。求出在標(biāo)定時(shí)的磁場強(qiáng)度下霍爾元件在溫度T的輸出值：

　　V′0＝(T-T1)(V2－V1)／(T2－T1)＋V1

　　則經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的霍爾元件輸出值V′為

　　V′＝V×V′0／V0。

　　從上述可以看出，溫度標(biāo)定的操作者可以對每一臺(tái)變送器進(jìn)行溫度標(biāo)定，從而對整機(jī)的溫度特性進(jìn)行良好、精確的補(bǔ)償，而且標(biāo)定的大部分工作由變送器自動(dòng)完成，無需人工干預(yù)。同時(shí)，為了節(jié)約生產(chǎn)成本和生產(chǎn)時(shí)間，也可以對所有的變送器使用統(tǒng)一的溫度補(bǔ)償表，溫度補(bǔ)償表可通過編程器寫入EEPROM或通過手持操作器使用專用命令寫入。

　　同理，變送器的線性化標(biāo)定也用類似的方法用手持操作器實(shí)現(xiàn)。

　　6　結(jié)論冶金自動(dòng)化

　　本文介紹的符合HART協(xié)議的霍爾液位變送器完全符合HART協(xié)議的規(guī)范，可與任何符合HART協(xié)議的手持操作器或控制系統(tǒng)互連。在設(shè)計(jì)中充分利用了智能變送器能夠進(jìn)行雙向數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)和內(nèi)嵌微控制器的強(qiáng)大計(jì)算功能，變送器的傳感測量輸出部分盡可能地使用數(shù)字手段完成溫度補(bǔ)償、線性化、阻尼濾波、量程遷移和模擬輸出微調(diào)等功能，實(shí)現(xiàn)這些功能所需要的參數(shù)都可通過手持操作器方便地進(jìn)行設(shè)定。一些復(fù)雜的操作如溫度標(biāo)定和線性化標(biāo)定，使用手持操作器后變得非常簡單，與手工標(biāo)定相比，減少了標(biāo)定的勞動(dòng)強(qiáng)度和出錯(cuò)概率。該變送器性能優(yōu)良，現(xiàn)場使用效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定。

　　參考文獻(xiàn)

　　1　Rosemount Inc HCF Document: HART-SMART Communication Protocol, FSK Physical Layer Specification. Rev:7.2.1993.

　　2　Rosemount Inc HCF Document:HART-SMART Communication Protocol, Data Link Layer Specification. Rev:7.0.1993.

　　3　斯可克，李喜剛，陸伯勤.HART智能變送器的數(shù)字通信.冶金自動(dòng)化，1995，19(3)：19～27

　　4　顧偉俊，金建祥，褚　健.基于HART協(xié)議的1151智能變送器的開發(fā).自動(dòng)化儀表，1998，19(3)：5～7