基于HART协议的油田测井数据远程通信系统

作者简介：刘新平(1966­)，男，汉族，山东金乡县人，副教授，毕业于中国石油大学计算机系，硕士，从事微机在测控系统中的应用研究。辛希正，马明明：中国石油大学计算机与通信工程学院硕士研究生。Abouttheauthor:LiuXinping,male,associateprofessor,graduatedfromtheChinaUniversityofPetroleum,Master.Nowheworksontheapplicationofmicrocomputertomeasurementandcontrolsystem.Xinxizheng,Mamingming，postgraduatesoftheChinaUniversityofPetroleum基于HART协议的油田测井数据远程通信系统刘新平辛希正马明明(山东东营中国石油大学计算机与通信工程学院,257061,电话:[phone])摘要：为解决油田测井数据的采集以及远距离传输问题,系统采用了HART协议的软硬件原理，并基于HART协议设计实现了油田测井数据的远程通信系统。硬件电路的优化设计和远程通信功能都已实现。最后简单介绍了该系统的软件设计。该系统体积小，功能强，具有较强的抗干扰能力。关键词：HART协议,HT2012,电流环,数据远程通信AREMOTEDATACOMMUNICATIONSYSTEMOFTHEOILFIELDWELLLOGGINGBASEDONHARTPROTOCOLLiuxinping,Xinxizheng,MamingmingChinaUniversityofPetroleum，ShandongDongying，257061Abstract:Tosolvetheremotedatacommunicationoftheoilfieldwelllogging,itisbasedonHARTProtocol,aremotedatacommunicationsystemoftheoilfieldwellloggingwasdesigned,andtheoptimizingdesignofthecircuitandthefunctionofremotecommunicationwererealized.Intheend,ageneralexplanationforthedesignofsoftwarewaspresented.Withasmallsize,thesystemhasastrongfunctionandapowerfulabilitytoavoiddisturbance.Keywords:HARTProtocol,HT2012,currentring,remotedatacommunication0引言油田测井数据的采集以及传输问题一直是油田的老大难问题。一方面，由于钻井直径小，要求井下硬件电路要优化设计，体积要小。另一方面，由于钻井深度大（有些钻井深度可达几千米），井下温度高，要求系统抗干扰能力强，数据能进行远距离传输。HART协议采用频移键控（FSK）技术。它基于Bell202通信标准，在4～20mA电流环上叠加不同的频率信号来传送数字信号。由于该协议使用电流信号来传送数据，而不是电压信号，因而具有较强的抗干扰能力[1]。因为在测井中，突发干扰往往是一个瞬间高电压，但产生的电流很小。这样，在数据传输中的突发的干扰对电流信号的影响就会降低很多。本文讨论了基于HART协议数字数据远程通信系统软硬件实现。一是要解决优化电路的设计问题，二是要讨论实现远距离通信功能的有效方法。1hart协议简介[2]HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosemen公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议[3]。HART通信采用的是半双工的通信方式。HART协议参考并简化了ISO/OSI(开放系统互连模型)，只采用了简化的三层模型结构，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层。第一层：物理层。HART协议采用频移键控技术FSK，即在4～20mA模拟信号上迭加一个频率信号，频率信号采用Be11202国际标准，数字信号的传送波特率设定为1200bps，1200Hz代表逻辑“0”，2200Hz代表逻辑“1”，信号幅值0.5mA。第二层：数据链路层。规定了HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能。HART协议根据冗余检错码信息，采用自动重复请求发送机制，消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通讯出错，实现通讯数据无差错传送。现场仪表要执行HART指令，操作数必须合乎指定的大小。每个独立的字符包括1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和一个停止位。由于数据的有无和长短并不恒定，所以HART数据的长度也是不一样的，最长的HART帧包含25个字节。第七层：应用层。为HART命令集，用于实现HART指令。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令[4]。2通信系统的硬件设计2.1总体设计框图图1系统总体设计框图系统设计原理如图1所示，本通信系统集成度高，功能强的同时又能保证低功耗，具有很高的性价比。首先采集来的数据经由A/D变换模块，被转化为数字信号量，并送入MCU中做简单处理，然后MCU在上位机的控制下将数据由串口送入HARTMODEM调制为FSK信号发送出去，同时MODEM接收井上传来的FSK信号解调为数字信号再经由串口传给MCU。HARTMODEM的输出端接了一个整形电路和一个电压/电流转换模块，以使输出的信号符合hart协议的±0.5mA标准。输入端加了一个输入接口电路，以增加通信的可靠性。输入和输出的信号均接至4～20mA电流环上。环路电流同时为系统供电。2.2A/D转换模块与MCU本系统选用AT89C51作为微控制器。该单片机是MCS51兼容系列产品，具有4kB的片内程序存储器,128字节的RAM,32条可编程I/O线，两个16位定时/计数器，可编程串口和6个中断源，具有功耗低，速度快，功能强等优点。在电路设计上，它一方面直接通过P0口与模数转换模块相连读取现场数据，另一方面通过串口与HT2012连接，控制完成数据的发送和命令的接收。A/D转换模块采用的是AD976模数转换器。AD976是一种快速、低功耗、逐次逼近型16位模数转换器，它采用AD公司专有的BiCMOS工艺，内有高性能双极性器件，满量程模拟输入电压为+/-10V，工作时外围电路简单，可与微控制器直接连接。AD976芯片内有电容阵列，故不需要额外取样/保持电路。图2所示为AD976与89C51单片机的接口电路。89C51的P0口与AD976的八位数据线相连。AD976用R/C和CS控制其转换过程。R/C的下降沿将取样/保持转为保持状态，在CS的下降沿开始转换，BUSY信号变为低，并保持到转换完成，BUSY上升沿将输出数据锁存在输出寄存器，输出数据有效。当R/C为高，CS的下降沿输出数据。数据有效后，将BYTE置为0，读取低8位数据，然后将BYTE置为1，再读取高8位数据。420mAA/D变换模块MCU(8951)HartmodeHT2012整形电路V/I转换输入接口电路2.3HART通信模块本系统重点是HART通信模块的设计。主要由HART调制解调器HT2012及其发送和接收的接口电路组成。SMAR公司生产的HT2012为Bell202标准的CMOS微功耗FSK调制解调器。HT2012调制解调器是半双工的。既同一时刻，只能调制发送或是解调接收[5]。工作发送、接收速率为1200bps,且与CMOS、TTL兼容。HT2012具有载波检测输出OCD,低电平有效,表示检测到电流环路上目前有载波发送,从而避免了通信双方同时发送冲突的可能性。整形电路由运算放大器和电容电阻组成，将HT2012输出的方波信号转换为正弦波，以便增加信号的抗干扰能力。再将整形后的电压信号输入到V/I模块中,可实现HART电压信号向±0.5mA电流信号的转换。为了优化设计，V/I模块没有采用传统的通过D/A转换器的开关电流源来实现，而是直接通过一个三极管T和电阻R来完成HART电压信号向±0.5mA电流信号的转换。通过试验，适当选择三极管和电阻的阻值，可以完全满足上述要求，这样就免去了一个D/A转换器的功耗和空间。从而降低了系统的功耗并减少了电路板的面积。整个输出接口电路如图3所示:输入接口电路由滤波器和方波重建模块组成。滤波器首先将线路上传来的载波信号进行滤波，要求能去除突变信号和高频噪音，只允许1200Hz～2200Hz的信号通过。方波重建模块是一个电压比较器，它将±0.5mAHART电流信号转化为HT2012所需要的方波信号，经HT2012解调,再送入89C51串行通信口RXD中,从而完成接收任务。HT2012的OCD信号送入89C51的外部中断INT1,用于检测通信状态。滤波电路如图4所示：INPUTC2DB7~DB0AD976BYTEP0.7~P0.089C51P2.7WRRDINT0+/-10VR1200R233.2k2.2uVinREFCAPAGND22.2u模拟地图2AD976及其与89C51单片机的接口P2.0CSBUSYAGND1R/C 图3输出接口电路图4输入接口电路需要指出的是，HT2012工作主时钟为特殊的460.8kHz，本电路采用1片74HC161，外接1.8432MHz晶振，经74HC161进行4分频后，正好输出460.8kHz的时钟，直接供HT2012使用[6]。2.4功耗问题为了符合4～20mAHART协议的标准，本系统必须可工作在4～20mA两线回路中。因此通信系统供电的电流不能超过4mA。在我们的实际应用中，为兼容数字与模拟两信号，将数据频率信号通过V/I转换电路进行了调整，转换为幅度为±0.5mA的频率信号，叠加在两线的4～20mA电流环上。由于对称特性，此信号的平均值为0，因此不会对线路产生太大干扰。但环路上电流瞬时最大值I=4.5mA，最小值I=3.5mA，如果向系统供电过多，超过3.5mA，将导致数字信号负半周失真。考虑到实际应用时所需的余量，要求对系统供电的电流最好不要超过3.4mA[6]。3通信系统的软件设计由于本系统要求传输的数据量不大，且是点对点的通信，所以没有必要完全实现HART协议的通信命令。在实现了物理层和数据链路层的基础上，为了简化程序设计，本系统设计了一套简单的问答式命令来实现应用层，由上位机控制井下的系统工作，完成数据的采集和传输。如果以后要与其他的HART智能设备通信，程序只要修改应用层即可。在具体通信过程中，由主机（上位机）发送命令帧，井下机器通过串行口中断接收到命令帧后，由89C51作相应的操作处理，产生应答帧，然后触发发送中断，发送应答帧，从而完成一次命令交换。在系统初始化完成之后通讯模块就一直处在准备接收状态下，一旦上位机有命令发来，HT2012的载波检测口OCD变为低电平，触发中断，接受命令帧。在完成主机命令的解释并执行了相应的操作后，最后按一定的格式生成应答帧并送入通信缓冲区，启动发送，完成后关闭SCI。图5是问答式通信程序的流程图。下位机在发送应答帧之后，会再次进入等待状态，等候下一条主机命令。图5通信程序流程图Y执行命令，准备应答帧取校验码请求重传的应答帧有错？发送应答帧并返回串口进行接收接收主机命令字节N重新接收YN是否规定的序文？初始化4结束语本文从测井数据通信的要求出发，基于HART协议数据通信和功耗要求的特点，在大量实验的基础上，设计实现了测井数据的远程通信应用电路。该电路体积小，功能强，具有较强的抗干扰能力。试验表明该系统最大通信距离可达3500米，能满足测井数据通信的要求。参考文献[1]周樟华,王宾.基于HART协议的智能变换器的开发与应用[J].微计算机信息,1997,23:7-10.[2]HARTCommunicationFoundation.Hartsmartcommunicat