GSM技術(shù)在HART協(xié)議智能壓力表中的應(yīng)用
本文涉及基于HART協(xié)議的壓力儀表技術(shù)，尤其涉及基于GSM的無(wú)線壓力表領(lǐng)域。傳統(tǒng)的壓力儀表一般采用電纜式連接，在電源和信號(hào)端均需有線式 連接方式，尤其當(dāng)儀表安裝位置特殊時(shí)，對(duì)電纜的布局要求更高。本文提出基于 GSM無(wú)線技術(shù)壓力儀表技術(shù)，是在符合HART智能儀表基礎(chǔ)上，對(duì)儀表智能讀 數(shù)的又一技術(shù)改進(jìn)，即利用成熟的GSM空對(duì)空傳輸方式解決了其他無(wú)線技術(shù)局 限于采集距離的缺陷，對(duì)智能壓力儀表的無(wú)線數(shù)據(jù)采集起到了技術(shù)革新的技術(shù)。
1.引言
微電子、微處理技術(shù)和新型傳感器技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了 智能化、數(shù)字化、高精度、高穩(wěn)定度數(shù)字壓力傳感器和數(shù) 字壓力計(jì)的發(fā)展。數(shù)字壓力傳感器于20世紀(jì)80年代初由美 國(guó)Honeywell公司研制成功。不久美國(guó)派諾斯公司推出了準(zhǔn) 確度更高、穩(wěn)定性更好的數(shù)字式石英壓力傳感器。智能化 數(shù)字壓力傳感器的問世推動(dòng)了數(shù)字壓力計(jì)的迅速發(fā)展，高 精度、穩(wěn)定性和可靠性好的數(shù)字壓力計(jì)的發(fā)展不僅體現(xiàn)在 高精度壓力測(cè)量還體現(xiàn)在伴隨著無(wú)線科技的發(fā)展真正意 義上的無(wú)線智能壓力儀表得到廣泛關(guān)注。
本文涉及的無(wú)線壓力儀表主要基于GSM成熟基站技術(shù) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)損、長(zhǎng)距離采集，系統(tǒng)主要包括電源、HART 模塊、GSM模塊、傳感器、采集器和PC主控制器等，其中 GSM模塊分為發(fā)射數(shù)據(jù)模塊和接收數(shù)據(jù)模塊，數(shù)據(jù)控制器 采用高精度數(shù)字處理器DSPC64XX系列，保證了數(shù)據(jù)處理 的實(shí)時(shí)性，同時(shí)保證了數(shù)字量的保存速度和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的 數(shù)據(jù)供應(yīng)。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓力儀表數(shù)據(jù)的無(wú)線采集和PC 對(duì)HART轉(zhuǎn)換板的智能校準(zhǔn)，在某種意義上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙 工模式：一路數(shù)據(jù)傳輸、一路壓力儀表校準(zhǔn)線路，系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)圖如圖I所示。
2.關(guān)鍵技術(shù)介紹
2.1GSM關(guān)鍵技術(shù)
GSM是Global System For Mobile Comim丨nications的縮 寫，由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI制訂的一個(gè)數(shù)字移動(dòng)通信 標(biāo)準(zhǔn)，GSM是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile communications)的簡(jiǎn)稱。它的空中接口采用時(shí)分多址技 術(shù)。自90年代中期投入商用以來，被全球超過100個(gè)國(guó)家采 用。
GSM標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備占據(jù)當(dāng)前全球蜂窩移動(dòng)通信設(shè)備市場(chǎng) 80%以上。
GSM較之它以前的標(biāo)準(zhǔn)最大的不同是它的信令和語(yǔ)音 信道都是數(shù)字式的，因此GSM被看作是第二代(2G)移動(dòng)電 話系統(tǒng)m。這說明數(shù)字通訊從很早就已經(jīng)構(gòu)建到系統(tǒng)中。這—系統(tǒng)伴隨著4G通訊技術(shù)的推廣而顯得愈加成熟，本文涉 及的無(wú)線采集技術(shù)充分利用這一成熟技術(shù)，形成數(shù)據(jù)零丟 失率的采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶與儀表之間的單線通訊，避免 外界信號(hào)的干擾，為用戶的信息保密及數(shù)據(jù)完成性做了保 證，GSM無(wú)線采集結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
2.2HART 協(xié)議
HART協(xié)議采用基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)， 在低頻的4-20mA模擬信號(hào)上疊加幅度為0.5mA的音頻數(shù)字 信號(hào)進(jìn)行雙向數(shù)字通訊，數(shù)據(jù)傳輸率為1.2Mbps。由于FSK 信號(hào)的平均值為0,不影響傳送給控制系統(tǒng)模擬信號(hào)的大 小，保證了與現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的兼容性。在HART協(xié)議通信 中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送t31,在需要的情況 下，另外的測(cè)量、過程參數(shù)、設(shè)備組態(tài)、校準(zhǔn)、診斷信息 通過HART協(xié)議訪問。
HART通信采用的是半雙工的通信方式，其特點(diǎn)是在現(xiàn) 有模擬信號(hào)傳輸線上實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)通信，屬于模擬系統(tǒng)向 數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期 具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，得到了較快發(fā)展。HART規(guī)定了 一系列命令，按命令方式工作。它有二類命令，第_類稱 為通用命令，這是所有設(shè)備都理解、都執(zhí)行的命令；第二 類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 中實(shí)現(xiàn)，這類命令包括最常用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能庫(kù)；第三 類稱為特殊設(shè)備命令，以便于工作在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊 功能這類命令既可以在基金會(huì)中開放使用，又可以為開 發(fā)此命令的公司所獨(dú)有。在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中通常可發(fā)現(xiàn)同 時(shí)存在這三類命令。
3.數(shù)裾采集
3.1HART 轉(zhuǎn)化
在生產(chǎn)過程中，傳感器通過電器連接板的管腳跟智能 HART協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板連接，通常情況下傳感器分為壓縮 硅油填充和陶瓷兩類，傳感器外部連接通常小嘴接口、平 鑲接口和M20/G1/2連接幾種，傳感器連接線管腳分為S+、 S-、O-和0+15】，即電源正負(fù)、信號(hào)高低四個(gè)管腳，連接板 _般不具有外部ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，傳感器數(shù)據(jù)通過管腳 上傳至HART轉(zhuǎn)換板，在轉(zhuǎn)換板內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù) 模轉(zhuǎn)換，從傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)和數(shù)字 信號(hào)轉(zhuǎn)換成能夠顯示的模擬信號(hào)，以四線或流線編碼器傳 輸給顯示表。HART轉(zhuǎn)換板在此過程中有著數(shù)字信號(hào)與模擬 信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的功能，根據(jù)實(shí)際要求，達(dá)到智能儀表的數(shù) 字量與模擬量多組合輸出。
3.2GSM傳輸
涉及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，相關(guān)技術(shù)有ZigBee、GSM等， ZigBee—般基于基站式短距離傳輸，冗余檢驗(yàn)簡(jiǎn)單，加密 簡(jiǎn)單易破解，本文采用技術(shù)成熟的GSM無(wú)線通信協(xié)議，依 附于移動(dòng)通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)最大范圍的數(shù)據(jù)采集與傳輸|61。
GSM模塊在控制器工作時(shí)鐘到來時(shí)開啟傳送模式，把 數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包模式壓縮并編碼加密，利用強(qiáng)大的無(wú)線電傳 輸介質(zhì)傳送到固定寫號(hào)的數(shù)據(jù)接收終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定向 傳輸，在時(shí)鐘為低壓降時(shí)，傳感器數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)儲(chǔ)存在半載 EEPROM 中。
3.3GSM接收
與GSM發(fā)送端同一時(shí)鐘的數(shù)據(jù)接收端有足夠大的數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)空間，待數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，接收終端控制器DSP會(huì) 把數(shù)據(jù)解碼解密得到真實(shí)數(shù)據(jù)，并在控制器中實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn) 換，利用模擬量數(shù)字電流表顯示直觀電流量或者壓力數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)接收終端直接插在DSP處理器I/O口上，如圖3所示。
3.4數(shù)據(jù)分析及儲(chǔ)存
本系統(tǒng)采用大容量ROM存儲(chǔ)器，保證了事故斷電后數(shù) 據(jù)的完整性，具有反復(fù)讀寫的長(zhǎng)久壽命；同時(shí)，利用數(shù)據(jù) 量存儲(chǔ)空間把數(shù)據(jù)壓縮至占空間量最小，在數(shù)據(jù)分析的流 程中確保分析工作的延續(xù)性。
3.5儀表校準(zhǔn)
無(wú)線壓力儀表校準(zhǔn)程序主要針對(duì)壓力儀表現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)數(shù) 據(jù)漂移或者顯示紊亂等情況時(shí)，實(shí)現(xiàn)界面命令對(duì)HART功能進(jìn)行校準(zhǔn)，主要涉及4-20mA電流和滿度壓力情況下儀表示 數(shù)的調(diào)整，此過程需要多功能萬(wàn)用表的現(xiàn)場(chǎng)配合，采集最 原始的數(shù)據(jù)輸入校準(zhǔn)窗□對(duì)儀表進(jìn)行校準(zhǔn)，在壓力情況達(dá) 不到要求的環(huán)境中，可以采取中度的校準(zhǔn)并且在接近上下 限壓力的點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，多點(diǎn)校準(zhǔn)保證最大限度降低誤差， 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。
4.技術(shù)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)
HART技術(shù)的引進(jìn)對(duì)傳統(tǒng)非智能儀表的發(fā)展起到了促 進(jìn)作用，從而涉及到了智能儀表的產(chǎn)生和發(fā)展，而隨著無(wú) 線技術(shù)的廣泛應(yīng)用和成熟發(fā)展，相應(yīng)技術(shù)模塊出現(xiàn)在壓力 儀表上，而面對(duì)壓力儀表要求低功耗的要求，ZigBee技術(shù) 和GSM技術(shù)優(yōu)點(diǎn)不斷顯現(xiàn)。目前市場(chǎng)上大多數(shù)儀表采用 ZigBee技術(shù)，因其便宜經(jīng)濟(jì)的成本大受歡迎。然而ZigBee 技術(shù)受制于外界環(huán)境因素特別明顯，如距離和溫度等，面 對(duì)這些問題，無(wú)線技術(shù)參考了GSM全球通信技術(shù)，思考 通過依附于成熟準(zhǔn)確的無(wú)線電通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)采 集供方和接收方的無(wú)縫連接，保證了數(shù)據(jù)的零風(fēng)險(xiǎn)傳輸。 GSM與HART技術(shù)的聯(lián)合對(duì)無(wú)線儀表的進(jìn)步又增添動(dòng)力， 其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：
（1）GSM技術(shù)保證HART數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸出；
（2）HART技術(shù)數(shù)字量輸出為GSM技術(shù)實(shí)現(xiàn)做好鋪墊， 實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)的數(shù)字量的輸出和保存;
（3）GSM技術(shù)克服了無(wú)線技術(shù)受限于距離等外部環(huán)境的 困難，技術(shù)先進(jìn)成熟；
（4）GSM技術(shù)與HART技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了儀表設(shè)備簡(jiǎn)單 有效低功耗的要求，符合節(jié)能環(huán)保的企業(yè)未來發(fā)展趨勢(shì)；
(5)單節(jié)點(diǎn)獨(dú)立工作，相互不受影響，與控制器單線通 信，數(shù)據(jù)丟失降到最低。
5.總結(jié)
基于GSM無(wú)線通信技術(shù)的HART協(xié)議智能儀表的設(shè)計(jì) 是在基于無(wú)線技術(shù)廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀提出的，依附GSM技 術(shù)的成熟應(yīng)用及GSM模塊體積的微型化發(fā)展和低功耗設(shè)計(jì) 理念，此智能無(wú)線儀表勢(shì)必在無(wú)線釆集數(shù)據(jù)領(lǐng)域占據(jù)一大 的份額，它改變了當(dāng)前無(wú)線儀表采集時(shí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互為傳輸介 質(zhì)的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)主控設(shè)備對(duì)單個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)的直接控制和數(shù) 據(jù)采集，節(jié)點(diǎn)間不受影響，獨(dú)立工作，是無(wú)線技術(shù)在智能 HART壓力儀表應(yīng)用中的技術(shù)大步伐。
