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　　自80年代初智能變送器問世以來的十幾年時間中，智能變送器以遠遠超過模擬變送器的技術性能、方便的安裝和維護等優勢不斷地擴大在生產中的應用，開創了現場儀表的新紀元［4］。

　　智能變送器的核心技術之一是現場總線技術，其中Rosemount公司于80年代中期推出的HART協議現場總線標準具有兼容4～20mA模擬信號與數字通信的性質，符合HART協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界還在大量使用4～20mA模擬變送器的實際情況。經過10年的發展，HART協議已成為智能儀表事實上的工業標準［3］。世界上有70多家公司采納了這一協議，如Foxboro、Smar、ABB、Moore和Honeywell等。世界智能變送器市場中符合HART協議的已占76%以上［4］。

　　目前，國內智能變送器技術尚在開發中。由于智能變送器內嵌微控制器，因此具有強大的計算功能，同時現場總線協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發智能變送器時變成可能，數字化技術大大提高了變送器的技術性能和使用的方便性。本文介紹的正是這樣一種符合HART協議的智能變送器――霍爾液位變送器的設計。

　　1　變送器傳感環節工作原理

　　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輸入端和兩個輸出端，有恒壓供電和恒流供電兩種方式，其輸出與輸入電流強度、磁場強度成正比。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的兩個霍爾元件，馬蹄形的一對磁棒可以繞儀表盒中一點上下旋轉。變送器工作時，磁鋼根據液位的變化上下移動，通過磁引力帶動磁棒上下旋轉，從而使切割兩個霍爾元件的磁力線密度產生變化。由于霍爾元件的輸出與其所處位置的磁場強度成正比，因此，由霍爾元件的輸出可反映磁棒旋轉的角度，進而反映液位。

　　這種測量液位方法的精度受兩個因素制約：(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行溫度補償。(2)整個傳感環節的非線性。兩個霍爾元件位置處的磁場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，因此可以用分段線性化進行補償。

　　2　HART協議簡介

　　HART通信協議參照“ISO／OSI”的模型標準，簡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要介紹，協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。HART協議采用了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。第1類是通用命令，第2類是普通應用命令，協議對這兩類命令的含義作了詳細規定，比如讀制造廠號及產品型號，讀主變量值及單位等命令，使符合HART協議的產品具有一定的互換性。第3類是特殊命令，這是各家公司的產品自己所特有的命令，不互相兼容，如線性化標定命令、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化水準，比如本文介紹的變送器使用溫度標定命令進行溫度標定，非常方便。

　　3　變送器整體硬件結構

　　由于關于符合HART協議的智能變送器的硬件設計已有文章進行過詳細的敘述［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協議物理層實現部分，包括AD421和MODEM。由于本變送器采用電源線和信號線復用的二線制，采用HART數字通信時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，智能變送器仍能正常工作和通信，因此整個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(包括兩個霍爾器件、信號調理、A／D轉換、基準源)的耗電不能超過1.2mA。

　　兩個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，所以兩個霍爾元件串聯后的壓降不超過2V，因此恒流源可以正常工作。兩個霍爾元件的輸出電壓分別接到4選1模擬開關4052的一對輸入端口上。溫度傳感集成電路TMP36用于測量環境溫度，以對霍爾元件的輸出進行溫度補償，其輸出也接到4052的一對輸入端口上。因為兩個霍爾元件在變化磁場中的輸出是差動的，即當某個霍爾元件輸出增大時，另一個霍爾元件輸出必然減少，因此測量兩個霍爾元件的差動輸出可以得到兩倍于只使用單個霍爾元件的靈敏度。同時，由于不同霍爾元件的溫度系數接近，所以測量兩個霍爾元件的差動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放大電路，而通過切換4052的通道，輪流對兩個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，以此實現兩個霍爾元件的差動輸出的測量。

　　這個傳感頭部分的硬件設計是相當簡潔的。其軟件設計包括如下步驟：

　　(1)對霍爾元件H1的輸出采樣，并進行溫度補償；

　　(2)對霍爾元件H2的輸出采樣，并進行溫度補償；

　　(3)將經過溫度補償的兩個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，同時每隔一定時間對TMP36的輸出采樣。

　　5　霍爾元件的溫度補償方法

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

　　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行補償，因此當霍爾元件的溫度系數離散性較大時不適用。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，必要時可以單獨標定每一個霍爾元件的溫度曲線，同時借助HART協議的數字通信接口和手持操作器，可以自動實現溫度標定，使用者只需通過手持操作器發送幾個專用的命令即可，充分發揮了智能變送器的優越性。

　　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，由兩個一維表組成：(1)溫度表，由在不同溫度標定點下對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通過手持操作器控制變送器自動生成。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出進入溫度標定模式命令，變送器收到此命令后，就進入溫度標定模式，開始對兩個HALL片的輸出交替采樣。當操作者等到環境溫度穩定時，通過手持操作器發出確定命令，此命令帶一個指出此標定點在溫度標定表中位置的參數。變送器收到此命令時，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的前提下，改變環境溫度，就可以標定一系列點。溫度標定表中的標定點數最大可達32點，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，發出退出溫度標定模式命令。變送器收到此命令時，就退出溫度標定模式，并查溫度標定表中與25℃最接近的兩個點的坐標位置，然后通過插值求出霍爾元件在此磁場強度下25℃時的輸出值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溫度值T1、T2以及在霍爾元件輸出采樣值表中對應的兩點的值V1、V2。求出在標定時的磁場強度下霍爾元件在溫度T的輸出值：

　　V′0＝(T-T1)(V2－V1)／(T2－T1)＋V1

　　則經過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行溫度標定，從而對整機的溫度特性進行良好、精確的補償，而且標定的大部分工作由變送器自動完成，無需人工干預。同時，為了節約生產成本和生產時間，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，變送器的線性化標定也用類似的方法用手持操作器實現。

　　6　結論冶金自動化

　　本文介紹的符合HART協議的霍爾液位變送器完全符合HART協議的規范，可與任何符合HART協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行雙向數字通信的優點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、線性化、阻尼濾波、量程遷移和模擬輸出微調等功能，實現這些功能所需要的參數都可通過手持操作器方便地進行設定。一些復雜的操作如溫度標定和線性化標定，使用手持操作器后變得非常簡單，與手工標定相比，減少了標定的勞動強度和出錯概率。該變送器性能優良，現場使用效果良好，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.冶金自動化，1995，19(3)：19～27

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