本文涉及基于HART协议的压力仪表技术，尤其涉及基于GSM的无线压力表领域。传统的压力仪表一般采用电缆式连接，在电源和信号端均需有线式 连接方式，尤其当仪表安装位置特殊时，对电缆的布局要求更高。本文提出基于 GSM无线技术压力仪表技术，是在符合HART智能仪表基础上，对仪表智能读 数的又一技术改进，即利用成熟的GSM空对空传输方式解决了其他无线技术局 限于采集距离的缺陷，对智能压力仪表的无线数据采集起到了技术革新的技术。

1.引言

微电子、微处理技术和新型传感器技术的发展推动了 智能化、数字化、高精度、高稳定度数字压力传感器和数 字压力计的发展。数字压力传感器于20世纪80年代初由美 国Honeywell公司研制成功。不久美国派诺斯公司推出了准 确度更高、稳定性更好的数字式石英压力传感器。智能化 数字压力传感器的问世推动了数字压力计的迅速发展，高 精度、稳定性和可靠性好的数字压力计的发展不仅体现在 高精度压力测量还体现在伴随着无线科技的发展真正意 义上的无线智能压力仪表得到广泛关注。

本文涉及的无线压力仪表主要基于GSM成熟基站技术 实现数据的无损、长距离采集，系统主要包括电源、HART 模块、GSM模块、传感器、采集器和PC主控制器等，其中 GSM模块分为发射数据模块和接收数据模块，数据控制器 采用高精度数字处理器DSPC64XX系列，保证了数据处理 的实时性，同时保证了数字量的保存速度和数模转换器的 数据供应。整个系统实现了压力仪表数据的无线采集和PC 对HART转换板的智能校准，在某种意义上实现了数据的双 工模式：一路数据传输、一路压力仪表校准线路，系统结 构图如图I所示。

2.关键技术介绍

2.1GSM关键技术

GSM是Global System For Mobile Comim丨nications的缩 写，由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信 标准，GSM是全球移动通信系统(Global System for Mobile communications)的简称。它的空中接口采用时分多址技 术。自90年代中期投入商用以来，被全球超过100个国家采 用。

GSM标准的设备占据当前全球蜂窝移动通信设备市场 80%以上。

GSM较之它以前的标准最大的不同是它的信令和语音 信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代(2G)移动电 话系统m。这说明数字通讯从很早就已经构建到系统中。这—系统伴随着4G通讯技术的推广而显得愈加成熟，本文涉 及的无线采集技术充分利用这一成熟技术，形成数据零丢 失率的采集系统，实现用户与仪表之间的单线通讯，避免 外界信号的干扰，为用户的信息保密及数据完成性做了保 证，GSM无线采集结构图如图2所示。

2.2HART 协议

HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号， 在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字 信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。由于FSK 信号的平均值为0,不影响传送给控制系统模拟信号的大 小，保证了与现有模拟系统的兼容性。在HART协议通信 中主要的变量和控制信息由4-20mA传送t31,在需要的情况 下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息 通过HART协议访问。

HART通信采用的是半双工的通信方式，其特点是在现 有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向 数字系统转变过程中过渡性产品，因而在当前的过渡时期 具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。HART规定了 一系列命令，按命令方式工作。它有二类命令，第_类称 为通用命令，这是所有设备都理解、都执行的命令；第二 类称为一般行为命令，所提供的功能可以在许多现场设备 中实现，这类命令包括最常用的现场设备的功能库；第三 类称为特殊设备命令，以便于工作在某些设备中实现特殊 功能这类命令既可以在基金会中开放使用，又可以为开 发此命令的公司所独有。在一个现场设备中通常可发现同 时存在这三类命令。

3.数裾采集

3.1HART 转化

在生产过程中，传感器通过电器连接板的管脚跟智能 HART协议数据转换板连接，通常情况下传感器分为压缩 硅油填充和陶瓷两类，传感器外部连接通常小嘴接口、平 镶接口和M20/G1/2连接几种，传感器连接线管脚分为S+、 S-、O-和0+15】，即电源正负、信号高低四个管脚，连接板 _般不具有外部ROM数据存储功能，传感器数据通过管脚 上传至HART转换板，在转换板内实现数据的模数转换和数 模转换，从传感器采集的模拟信号转换成数字信号和数字 信号转换成能够显示的模拟信号，以四线或流线编码器传 输给显示表。HART转换板在此过程中有着数字信号与模拟 信号相互转换的功能，根据实际要求，达到智能仪表的数 字量与模拟量多组合输出。

3.2GSM传输

涉及无线数据传输，相关技术有ZigBee、GSM等， ZigBee—般基于基站式短距离传输，冗余检验简单，加密 简单易破解，本文采用技术成熟的GSM无线通信协议，依 附于移动通信设备，实现最大范围的数据采集与传输|61。

GSM模块在控制器工作时钟到来时开启传送模式，把 数据以数据包模式压缩并编码加密，利用强大的无线电传 输介质传送到固定写号的数据接收终端，实现数据的定向 传输，在时钟为低压降时，传感器数据会自动储存在半载 EEPROM 中。

3.3GSM接收

与GSM发送端同一时钟的数据接收端有足够大的数据 存储空间，待数字数据传输结束后，接收终端控制器DSP会 把数据解码解密得到真实数据，并在控制器中实现数模转 换，利用模拟量数字电流表显示直观电流量或者压力数据。 数据接收终端直接插在DSP处理器I/O口上，如图3所示。

3.4数据分析及储存

本系统采用大容量ROM存储器，保证了事故断电后数 据的完整性，具有反复读写的长久寿命；同时，利用数据 量存储空间把数据压缩至占空间量最小，在数据分析的流 程中确保分析工作的延续性。

3.5仪表校准

无线压力仪表校准程序主要针对压力仪表现场出现数 据漂移或者显示紊乱等情况时，实现界面命令对HART功能进行校准，主要涉及4-20mA电流和满度压力情况下仪表示 数的调整，此过程需要多功能万用表的现场配合，采集最 原始的数据输入校准窗□对仪表进行校准，在压力情况达 不到要求的环境中，可以采取中度的校准并且在接近上下 限压力的点进行校准，多点校准保证最大限度降低误差， 实现准确测量。

4.技术结合的优势

HART技术的引进对传统非智能仪表的发展起到了促 进作用，从而涉及到了智能仪表的产生和发展，而随着无 线技术的广泛应用和成熟发展，相应技术模块出现在压力 仪表上，而面对压力仪表要求低功耗的要求，ZigBee技术 和GSM技术优点不断显现。目前市场上大多数仪表采用 ZigBee技术，因其便宜经济的成本大受欢迎。然而ZigBee 技术受制于外界环境因素特别明显，如距离和温度等，面 对这些问题，无线技术参考了GSM全球通信技术，思考 通过依附于成熟准确的无线电通信技术，实现无线数据采 集供方和接收方的无缝连接，保证了数据的零风险传输。 GSM与HART技术的联合对无线仪表的进步又增添动力， 其优势主要表现在：

（1）GSM技术保证HART数据的实时输出；

（2）HART技术数字量输出为GSM技术实现做好铺垫， 实现仪表数据的数字量的输出和保存;

（3）GSM技术克服了无线技术受限于距离等外部环境的 困难，技术先进成熟；

（4）GSM技术与HART技术结合，实现了仪表设备简单 有效低功耗的要求，符合节能环保的企业未来发展趋势；

(5)单节点独立工作，相互不受影响，与控制器单线通 信，数据丢失降到最低。

5.总结

基于GSM无线通信技术的HART协议智能仪表的设计 是在基于无线技术广泛应用的现状提出的，依附GSM技 术的成熟应用及GSM模块体积的微型化发展和低功耗设计 理念，此智能无线仪表势必在无线釆集数据领域占据一大 的份额，它改变了当前无线仪表采集时点对点互为传输介 质的现状，实现主控设备对单个设备数据的直接控制和数 据采集，节点间不受影响，独立工作，是无线技术在智能 HART压力仪表应用中的技术大步伐。