自80年代初智能變送器問(wèn)世以來(lái)的十幾年時(shí)間中，智能變送器以遠遠超過(guò)模擬變送器的技術(shù)性能、方便的安裝和維護等優(yōu)勢不斷地擴大在生產(chǎn)中的應用，開(kāi)創(chuàng )了現場(chǎng)儀表的新紀元［4］。

　　智能變送器的核心技術(shù)之一是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，其中Rosemount公司于80年代中期推出的HART協(xié)議現場(chǎng)總線(xiàn)標準具有兼容4～20mA模擬信號與數字通信的性質(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(guò)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)標準［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(chǎng)中符合HART協(xié)議的已占76%以上［4］。

　　目前，國內智能變送器技術(shù)尚在開(kāi)發(fā)中。由于智能變送器內嵌微控制器，因此具有強大的計算功能，同時(shí)現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議使其具有雙向數字通信能力，這兩項功能使智能變送器的設計思路與模擬變送器的設計思路相比有顯著(zhù)不同，以前難以想象的一些復雜的數字運算和強大的人機界面在開(kāi)發(fā)智能變送器時(shí)變成可能，數字化技術(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計。

　　1　變送器傳感環(huán)節工作原理

　　霍爾液位變送器以線(xiàn)性霍爾元件作為敏感元件。線(xiàn)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度、磁場(chǎng)強度成正比。一般線(xiàn)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。變送器工作時(shí)，磁鋼根據液位的變化上下移動(dòng)，通過(guò)磁引力帶動(dòng)磁棒上下旋轉，從而使切割兩個(gè)霍爾元件的磁力線(xiàn)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(chǎng)強度成正比，因此，由霍爾元件的輸出可反映磁棒旋轉的角度，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(xiàn)性霍爾元件的溫度系數最大為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)行溫度補償。(2)整個(gè)傳感環(huán)節的非線(xiàn)性。兩個(gè)霍爾元件位置處的磁場(chǎng)強度隨液位的變化而變化的函數形式非常復雜，但在總體上是一條單調曲線(xiàn)，因此可以用分段線(xiàn)性化進(jìn)行補償。

　　2　HART協(xié)議簡(jiǎn)介

　　HART通信協(xié)議參照“ISO／OSI”的模型標準，簡(jiǎn)化并引用其中三層制定而成，即物理層、數據鏈路層和應用層。這里僅對物理層和應用層作簡(jiǎn)要介紹，協(xié)議的詳細資料請查閱參考文獻1～3。

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

　　應用層規定了HART通信命令的內容，共分為3類(lèi)。第1類(lèi)是通用命令，第2類(lèi)是普通應用命令，協(xié)議對這兩類(lèi)命令的含義作了詳細規定，比如讀制造廠(chǎng)號及產(chǎn)品型號，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(lèi)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(xiàn)性化標定命令、傳感頭校正系數微調命令等。靈活利用智能變送器的數字通信能力可以大大提高使用變送器的自動(dòng)化水準，比如本文介紹的變送器使用溫度標定命令進(jìn)行溫度標定，非常方便。

　　3　變送器整體硬件結構

　　由于關(guān)于符合HART協(xié)議的智能變送器的硬件設計已有文章進(jìn)行過(guò)詳細的敘述［4］，因此這里只給出硬件的總體結構。

　　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)現部分，包括AD421和MODEM。由于本變送器采用電源線(xiàn)和信號線(xiàn)復用的二線(xiàn)制，采用HART數字通信時(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，兩部分的硬件設計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計

　　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、信號調理、A／D轉換、基準源)的耗電不能超過(guò)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?xún)蓚€(gè)霍爾元件串聯(lián)后的壓降不超過(guò)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(kāi)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)行溫度補償，其輸出也接到4052的一對輸入端口上。因為兩個(gè)霍爾元件在變化磁場(chǎng)中的輸出是差動(dòng)的，即當某個(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?jì)蓚€(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接近，所以測量?jì)蓚€(gè)霍爾元件的差動(dòng)輸出還能補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轉換芯片。它內部帶程控放大器，可測量滿(mǎn)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(guò)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計是相當簡(jiǎn)潔的。其軟件設計包括如下步驟：

　　(1)對霍爾元件H1的輸出采樣，并進(jìn)行溫度補償；

　　(2)對霍爾元件H2的輸出采樣，并進(jìn)行溫度補償；

　　(3)將經(jīng)過(guò)溫度補償的兩個(gè)霍爾元件的輸出采樣值相減，并分段線(xiàn)性化；

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

　　5　霍爾元件的溫度補償方法

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

　　溫度補償一般有硬件補償和軟件補償兩種方式。使用具有和霍爾元件的溫度特性相匹配的溫度曲線(xiàn)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)行硬件方式補償。這種補償方式要求霍爾元件的溫漂系數比較接近，同時(shí)要求事先測出霍爾元件的溫度系數，然后挑選匹配的溫敏器件進(jìn)行補償，因此當霍爾元件的溫度系數離散性較大時(shí)不適用。在本變送器中采用了軟件補償方式，因為軟件補償方式靈活，必要時(shí)可以單獨標定每一個(gè)霍爾元件的溫度曲線(xiàn)，同時(shí)借助HART協(xié)議的數字通信接口和手持操作器，可以自動(dòng)實(shí)現溫度標定，使用者只需通過(guò)手持操作器發(fā)送幾個(gè)專(zhuān)用的命令即可，充分發(fā)揮了智能變送器的優(yōu)越性。

　　在溫度補償之前首先必須制作溫度標定表。溫度標定表位于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。

　　溫度標定表在溫度標定時(shí)通過(guò)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(chǎng)中，并輸出較大的電壓，然后用手持操作器發(fā)出進(jìn)入溫度標定模式命令，變送器收到此命令后，就進(jìn)入溫度標定模式，開(kāi)始對兩個(gè)HALL片的輸出交替采樣。當操作者等到環(huán)境溫度穩定時(shí)，通過(guò)手持操作器發(fā)出確定命令，此命令帶一個(gè)指出此標定點(diǎn)在溫度標定表中位置的參數。變送器收到此命令時(shí)，將當前的TMP36輸出采樣值和霍爾元件的輸出采樣值送到溫度標定表指定位置處。操作者在不改變磁場(chǎng)的前提下，改變環(huán)境溫度，就可以標定一系列點(diǎn)。溫度標定表中的標定點(diǎn)數最大可達32點(diǎn)，但要求溫度補償表中的溫度值必須從小到大排列。當標定結束后，發(fā)出退出溫度標定模式命令。變送器收到此命令時(shí)，就退出溫度標定模式，并查溫度標定表中與25℃最接近的兩個(gè)點(diǎn)的坐標位置，然后通過(guò)插值求出霍爾元件在此磁場(chǎng)強度下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的兩點(diǎn)的值V1、V2。求出在標定時(shí)的磁場(chǎng)強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(guò)溫度補償后的霍爾元件輸出值V′為

　　V′＝V×V′0／V0。

　　從上述可以看出，溫度標定的操作者可以對每一臺變送器進(jìn)行溫度標定，從而對整機的溫度特性進(jìn)行良好、精確的補償，而且標定的大部分工作由變送器自動(dòng)完成，無(wú)需人工干預。同時(shí)，為了節約生產(chǎn)成本和生產(chǎn)時(shí)間，也可以對所有的變送器使用統一的溫度補償表，溫度補償表可通過(guò)編程器寫(xiě)入EEPROM或通過(guò)手持操作器使用專(zhuān)用命令寫(xiě)入。

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

　　6　結論冶金自動(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)議的規范，可與任何符合HART協(xié)議的手持操作器或控制系統互連。在設計中充分利用了智能變送器能夠進(jìn)行雙向數字通信的優(yōu)點(diǎn)和內嵌微控制器的強大計算功能，變送器的傳感測量輸出部分盡可能地使用數字手段完成溫度補償、線(xiàn)性化、阻尼濾波、量程遷移和模擬輸出微調等功能，實(shí)現這些功能所需要的參數都可通過(guò)手持操作器方便地進(jìn)行設定。一些復雜的操作如溫度標定和線(xiàn)性化標定，使用手持操作器后變得非常簡(jiǎn)單，與手工標定相比，減少了標定的勞動(dòng)強度和出錯概率。該變送器性能優(yōu)良，現場(chǎng)使用效果良好，運行穩定。

　　參考文獻

　　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(kāi)發(fā).自動(dòng)化儀表，1998，19(3)：5～7