GSM技術在HART協議智能壓力表中的應用
本文涉及基于HART協議的壓力儀表技術，尤其涉及基于GSM的無線壓力表領域。傳統的壓力儀表一般采用電纜式連接，在電源和信號端均需有線式 連接方式，尤其當儀表安裝位置特殊時，對電纜的布局要求更高。本文提出基于 GSM無線技術壓力儀表技術，是在符合HART智能儀表基礎上，對儀表智能讀 數的又一技術改進，即利用成熟的GSM空對空傳輸方式解決了其他無線技術局 限于采集距離的缺陷，對智能壓力儀表的無線數據采集起到了技術革新的技術。
1.引言
微電子、微處理技術和新型傳感器技術的發展推動了 智能化、數字化、高精度、高穩定度數字壓力傳感器和數 字壓力計的發展。數字壓力傳感器于20世紀80年代初由美 國Honeywell公司研制成功。不久美國派諾斯公司推出了準 確度更高、穩定性更好的數字式石英壓力傳感器。智能化 數字壓力傳感器的問世推動了數字壓力計的迅速發展，高 精度、穩定性和可靠性好的數字壓力計的發展不僅體現在 高精度壓力測量還體現在伴隨著無線科技的發展真正意 義上的無線智能壓力儀表得到廣泛關注。
本文涉及的無線壓力儀表主要基于GSM成熟基站技術 實現數據的無損、長距離采集，系統主要包括電源、HART 模塊、GSM模塊、傳感器、采集器和PC主控制器等，其中 GSM模塊分為發射數據模塊和接收數據模塊，數據控制器 采用高精度數字處理器DSPC64XX系列，保證了數據處理 的實時性，同時保證了數字量的保存速度和數模轉換器的 數據供應。整個系統實現了壓力儀表數據的無線采集和PC 對HART轉換板的智能校準，在某種意義上實現了數據的雙 工模式：一路數據傳輸、一路壓力儀表校準線路，系統結 構圖如圖I所示。
2.關鍵技術介紹
2.1GSM關鍵技術
GSM是Global System For Mobile Comim丨nications的縮 寫，由歐洲電信標準組織ETSI制訂的一個數字移動通信 標準，GSM是全球移動通信系統(Global System for Mobile communications)的簡稱。它的空中接口采用時分多址技 術。自90年代中期投入商用以來，被全球超過100個國家采 用。
GSM標準的設備占據當前全球蜂窩移動通信設備市場 80%以上。
GSM較之它以前的標準最大的不同是它的信令和語音 信道都是數字式的，因此GSM被看作是第二代(2G)移動電 話系統m。這說明數字通訊從很早就已經構建到系統中。這—系統伴隨著4G通訊技術的推廣而顯得愈加成熟，本文涉 及的無線采集技術充分利用這一成熟技術，形成數據零丟 失率的采集系統，實現用戶與儀表之間的單線通訊，避免 外界信號的干擾，為用戶的信息保密及數據完成性做了保 證，GSM無線采集結構圖如圖2所示。
2.2HART 協議
HART協議采用基于Bell202標準的FSK頻移鍵控信號， 在低頻的4-20mA模擬信號上疊加幅度為0.5mA的音頻數字 信號進行雙向數字通訊，數據傳輸率為1.2Mbps。由于FSK 信號的平均值為0,不影響傳送給控制系統模擬信號的大 小，保證了與現有模擬系統的兼容性。在HART協議通信 中主要的變量和控制信息由4-20mA傳送t31,在需要的情況 下，另外的測量、過程參數、設備組態、校準、診斷信息 通過HART協議訪問。
HART通信采用的是半雙工的通信方式，其特點是在現 有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統向 數字系統轉變過程中過渡性產品，因而在當前的過渡時期 具有較強的市場競爭能力，得到了較快發展。HART規定了 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，這是所有設備都理解、都執行的命令；第二 類稱為一般行為命令，所提供的功能可以在許多現場設備 中實現，這類命令包括最常用的現場設備的功能庫；第三 類稱為特殊設備命令，以便于工作在某些設備中實現特殊 功能這類命令既可以在基金會中開放使用，又可以為開 發此命令的公司所獨有。在一個現場設備中通常可發現同 時存在這三類命令。
3.數裾采集
3.1HART 轉化
在生產過程中，傳感器通過電器連接板的管腳跟智能 HART協議數據轉換板連接，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、信號高低四個管腳，連接板 _般不具有外部ROM數據存儲功能，傳感器數據通過管腳 上傳至HART轉換板，在轉換板內實現數據的模數轉換和數 模轉換，從傳感器采集的模擬信號轉換成數字信號和數字 信號轉換成能夠顯示的模擬信號，以四線或流線編碼器傳 輸給顯示表。HART轉換板在此過程中有著數字信號與模擬 信號相互轉換的功能，根據實際要求，達到智能儀表的數 字量與模擬量多組合輸出。
3.2GSM傳輸
涉及無線數據傳輸，相關技術有ZigBee、GSM等， ZigBee—般基于基站式短距離傳輸，冗余檢驗簡單，加密 簡單易破解，本文采用技術成熟的GSM無線通信協議，依 附于移動通信設備，實現最大范圍的數據采集與傳輸|61。
GSM模塊在控制器工作時鐘到來時開啟傳送模式，把 數據以數據包模式壓縮并編碼加密，利用強大的無線電傳 輸介質傳送到固定寫號的數據接收終端，實現數據的定向 傳輸，在時鐘為低壓降時，傳感器數據會自動儲存在半載 EEPROM 中。
3.3GSM接收
與GSM發送端同一時鐘的數據接收端有足夠大的數據 存儲空間，待數字數據傳輸結束后，接收終端控制器DSP會 把數據解碼解密得到真實數據，并在控制器中實現數模轉 換，利用模擬量數字電流表顯示直觀電流量或者壓力數據。 數據接收終端直接插在DSP處理器I/O口上，如圖3所示。
3.4數據分析及儲存
本系統采用大容量ROM存儲器，保證了事故斷電后數 據的完整性，具有反復讀寫的長久壽命；同時，利用數據 量存儲空間把數據壓縮至占空間量最小，在數據分析的流 程中確保分析工作的延續性。
3.5儀表校準
無線壓力儀表校準程序主要針對壓力儀表現場出現數 據漂移或者顯示紊亂等情況時，實現界面命令對HART功能進行校準，主要涉及4-20mA電流和滿度壓力情況下儀表示 數的調整，此過程需要多功能萬用表的現場配合，采集最 原始的數據輸入校準窗□對儀表進行校準，在壓力情況達 不到要求的環境中，可以采取中度的校準并且在接近上下 限壓力的點進行校準，多點校準保證最大限度降低誤差， 實現準確測量。
4.技術結合的優勢
HART技術的引進對傳統非智能儀表的發展起到了促 進作用，從而涉及到了智能儀表的產生和發展，而隨著無 線技術的廣泛應用和成熟發展，相應技術模塊出現在壓力 儀表上，而面對壓力儀表要求低功耗的要求，ZigBee技術 和GSM技術優點不斷顯現。目前市場上大多數儀表采用 ZigBee技術，因其便宜經濟的成本大受歡迎。然而ZigBee 技術受制于外界環境因素特別明顯，如距離和溫度等，面 對這些問題，無線技術參考了GSM全球通信技術，思考 通過依附于成熟準確的無線電通信技術，實現無線數據采 集供方和接收方的無縫連接，保證了數據的零風險傳輸。 GSM與HART技術的聯合對無線儀表的進步又增添動力， 其優勢主要表現在：
（1）GSM技術保證HART數據的實時輸出；
（2）HART技術數字量輸出為GSM技術實現做好鋪墊， 實現儀表數據的數字量的輸出和保存;
（3）GSM技術克服了無線技術受限于距離等外部環境的 困難，技術先進成熟；
（4）GSM技術與HART技術結合，實現了儀表設備簡單 有效低功耗的要求，符合節能環保的企業未來發展趨勢；
(5)單節點獨立工作，相互不受影響，與控制器單線通 信，數據丟失降到最低。
5.總結
基于GSM無線通信技術的HART協議智能儀表的設計 是在基于無線技術廣泛應用的現狀提出的，依附GSM技 術的成熟應用及GSM模塊體積的微型化發展和低功耗設計 理念，此智能無線儀表勢必在無線釆集數據領域占據一大 的份額，它改變了當前無線儀表采集時點對點互為傳輸介 質的現狀，實現主控設備對單個設備數據的直接控制和數 據采集，節點間不受影響，獨立工作，是無線技術在智能 HART壓力儀表應用中的技術大步伐。
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