基于HART协议的井下数据采集系统

下位机变成了本系统的一个不可忽视的问题， 它直接影响通信
的可靠性， 在以上各部分电路的设计中， 减少功耗是设计过程中
需着重考虑的问题。
ＡＤ４２１ 由 ４ｍＡ 环路主电源供电， 转换的 ５Ｖ 电源为自己及
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数据采集芯片的模拟电路部分供电， 设计时须留下功耗余量。
ＡＤ４２１ 工作电流为 ６００μＡ， Ａｄ ｓ ７８１６ 的模拟电路工作电流不超
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， 本系统在 Ｈａ ｒｔ 协议基础上制定了一套简
易协议来实现应用层， 由上位机控制井下的系统工作， 完成数据
的采集和传输。在通信过程中， 由上位机发送命令帧， 下位机通过
串行口中断接收到命令帧后， 由 ＡＴ８９Ｃ５１ 作相应的操作处理， 产
版社， ２００３ ［ ３］ 郭吉祥， 郭荣祥．１６ 位 串 行 输 入 ４～２０ｍＡ 电 流 环 路 输 出 数 模 转 换 器
的原理及其应用［Ｊ ］．电子应用技术， １９９７（ ０６） ： ４９－ ５１ ［ ４］ 郭 福 田 ， 姜 军． 基 于 ＨＡＲＴ 协 议 的 通 信 技 术［Ｊ ］． 大 庆 石 油 学 院 学 报 ，
本 系 统 主 要 由 下 位 机 、上 位 数 据 接 口 、上 位 工 控 机 组 成 。 工 控机上利用 ＶＢ 编写控制软件完成 通 信 建 立 、 数 据 存 储 以 及 可 视 化 ， 并 通 过 ＲＳ２３２ 连 接 上 位 数 据 接 口 ； 上 位 数 据 接 口 负 责 利 用 电 流 环 进 行 通 信， 并 进 行 ＲＳ２３２ 数 据 与 ＴＴＬ 的 转 化 ； 下 位 机 负 责 采 集 数 据 、存 储 数 据 、接 收 上 位 机 命 令 完 成 通 信 。 总 体 框 图 如图 １ 所示。
本文讨论了基于 ＨＡＲＴ 协议的井下数据采集系统的软硬件 实现。解决了通信电路的设计问题并完成了通信软件设计， 实现 上位机的可视化编程。 １ Ｈａ ｒｔ 协议简介
ＨＡＲＴ（Ｈｉｇ ｈｗａｙ Ａｄ ｄ ｒｅｓ ｓ ａｂ ｌｅ Ｒｅｍｏｔｅ Ｔｒａｎｓ ｄ ｕｃｅｒ）， 可寻 址远程传感器高速通道的开放通信协议， 是美国 Ｒｏｓ ｅ ｍｏｕｎｔ 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。采用的是半双工的通信方式。ＨＡＲＴ 协议参考并简 化了 ＩＳＯ ／ＯＳＩ， 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。ＨＡＲＴ 协议采用频移键 控（ ＦＳＫ） 技术。它基于 Ｂｅ ｌｌ２０２ 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， 因而具有较强的抗干扰能力。利用 ＨＡＲＴ 协议的 电流环可以对井下器件进行供电， 使其一直在井下工作， 确保数 据采集的连续性。 ２ 系统总体设计
本 系 统 选 用 ＡＴ８９Ｃ５１ 作 为 微 控 制 器 ＭＣＵ。 该 单 片 机 是 ＭＣＳ－ ５１ 系列兼容产品。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 采 用 德 州 仪 器 公 司 的 ＡＤＳ７８１６ 构 成 的 转 换 电 路， 将模拟电压转换成数字信号送给单片机。ＡＤＳ７８１６ 是 １２ 位 串 行 模 ／数 转 换 器 ， 采 样 频 率 高 达 ２００ｋＨｚ， 转 换 所 需 时 间 短 ， 转 换精度高。
生应答帧， 然后触发中
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
图 １ 系统总体框图 ＨＡＲＴ ＭＯＤＥＭ 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 入端加了一个输入滤波电路， 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。
上端的工控机上运行用 ＶＢ 编写的控制程序， 利用 ＶＢ 相关 控件完成从串口读取数据信息、维护数据库以及利用可视化多 媒 体 控 件 显 示 数 据 等 功 能 。实 时 控 制 更 直 观 、同 时 也 为 今 后 的 数 据分析提供基础。 ３ 系统硬件设计 ３．１ Ａ ／Ｄ 转换模块与 ＭＣＵ
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 ， 并 叠 加 到 电 流 环 上 。 本 系 统 采 用
ＡＤ４２１ 作为 Ｄ ／Ａ 转换器， 同时它内部的电压调整器可以从电流
环路上获取电压， 并给 ＡＤ４２１ 及其他器件提供电流。
３．３ 功耗问题及电流分配
传感器送来的模拟信号由 Ａ／Ｄ 转换器转化为数字信号并 送 入 ＡＴ８９Ｃ５１ 单 片 机 中 ， ＡＴ８９Ｃ５１ 将 数 据 由 串 口 送 入 ＨＡＲＴ ＭＯＤＥＭ 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 ＡＴ８９Ｃ５１。
过 ４００μＡ， 而 变 送 器 功 耗 设 计 为 ３．９ｍＡ， 剩 下 ２．９ｍＡ 电 流 供 电
路其他器件使用。具体分配如下： 传感器由恒流二极管 ３ＣＲＣ 供
电 ０．５ｍＡ， 剩下 １．８ｍＡ 电流由单片机等其他部分使用。
４ 系统软件设计
４．１ 上下位机通信程序
由于本系统要求传输的数据量不大， 且是点对点的通信， 所
１４
基于 ＨＡＲＴ 协议的井下数据采集系统
３．２ ＨＡＲＴ 通信模块
本系统的重点就是 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 Ｂｅ ｌｌ２０２ 标 准 的 ＣＭＯＳ 微 功 耗 ＦＳＫ 调
制解调器 。ＨＴ２０１２ 调 制 解 调 器 是 半 双 工 的 ， 工 作 发 送 、接 收 速
工控机上建立数据库和数据采集软件， 提供可视化的数据 显示和数据存储。此系统用 ＶＢ６．０ 开发， 在工控机上建立数据 库， 实时读取下位机数据并更新入数据库。管理系统的组成结构 如图 ３ 所示。
图 ３ 上位机可视化软件结构图 系统利用 ＶＢ 的 Ａｄ ｏｄ ｃ 控件、Ｄａ ｔａ Ｇｒｉｄ 控件进行数据的查 询与绑定。系统提供两种查询方式： ①指定井号与间隔日期， 查 询间隔日期内的该井相关数据（ 方便起见， 实验只指定了压强、 流量、温度等数据） 。②实时更新， 即开始运行后系统将不间断地 读取井下数据， 并实时显示在系统中， 直到用户暂停查询。此方 式也是本系统应用于采油技术的基础。 系统利用 ＶＢ 的 ＭＳＣｏｍｍ 控件进行串口通信， 完成对下位 机 的 控 制 、读 取 数 据 功 能 ， 系 统 在 主 界 面 执 行 、实 时 查 询 刷 新 时 进行通信， 读取 数 据 。 系 统 利 用 ＶＢ 的 ＭＳＣｈａ ｒｔ 控 件 的 Ｃｈａ ｒｔ－ Ｄａ ｔａ 属性更新进行井下数据的可视化显示。ＶＢ 的串口技术、显 示数据技术比较常见， 操作简单， 在此不做详细介绍。 ５ 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 ３０００ｍ， 能满足 大多数测井数据通信的要求。此外， 还实现了工控机上的数据采 集控制程序， 能够使系统进行数据存储和可视化显示。为今后的 继续研究提供了基础。
《工业控制计算机》２００７ 年 ２０ 卷第 ３ 期
１３
基于 ＨＡＲＴ 协议的井下数据采集系统
Ｒｅ ｍｏｔｅ Ｄａ ｔａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃ ａ ｔｉｏｎ Ｓｙｓ ｔｅ ｍ ｏｆ Ｏｉｌ Ｆｉｅ ｌｄ Ｗｅ ｌｌ Ｌｏｇ ｇ ｉｎｇ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ ＨＡＲＴ Ｐｒｏｔｏｃ ｏｌ
刘新平 马明明 （ 中国石油大学计算机与通信工程学院， 山东 东营 ２５７０６１）
参考文献 ［ １］ ＨＡＲＴ Ｃｏｍｍｕｎｉｃ ａ ｔｉｏｎ Ｆｏｕｎｄ ａ ｔｉｏｎ． Ｈａ ｒｔ ｓ ｍａ ｒｔ ｃ ｏｍｍｕｎｉｃ ａ ｔｉｏｎ
ｐ ｒｏｔｏｃ ｏｌ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉｆｉｃ ａ ｔｉｏｎｓ ． Ａｕｓ ｔｉｎ： ＨＣＦ， １９９７ ［ ２］ 邬宽明．现场总线技术应用选编（ 上） ［ Ｍ］ ．北京： 北京航空航天大学出
率为 １２００ｂ ｐ ｓ 。ＨＴ２０１２ 具有载波检测输出 ＯＣＤ， 与 ８９Ｃ５１ 的
中断相连， 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阻电容等器件组成， 将 ＨＴ２０１２
输出的方波信号转换为正弦波， 以增加信号的抗干扰能力。再将
摘要 简单介绍了 ＨＡＲＴ 协议， 并基于 ＨＡＲＴ 协议设计实现了井下数据采集系统， 重点介绍了硬件设计及通信功能的实现以 及在工控机上实现的系统可视化软件。 关键词： ＨＡＲＴ 协议， 电流环通信， 油井数据可视化
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ Ａ ｓ ｉｍｐ ｌｅ ｉｎｔｒｏｄ ｕｃ ｔｉｏｎ ｏｆ ＨＡＲＴ Ｐｒｏｔｏｃ ｏｌ ｉｓ ｇ ｉｖｅ ｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ．Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ ＨＡＲＴ Ｐｒｏｔｏｃ ｏｌ，ａ ｒｅ ｍｏｔｅ ｄ ａ ｔａ ｃ ｏｍｍｕｎｉｃ ａ ｔｉｏｎ ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ ｏｆ ｔｈｅ ｏｉｌ ｆｉｅ ｌｄ ｗｅ ｌｌ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉｇ ｎｅ ｄ ，ｉｎｔｒｏｄ ｕｃ ｅ ｄ ｗｉｔｈ ｅ ｍｐ ｈａ ｓ ｉｓ ｔｈｅ ｈａ ｒｄ ｗａ ｒｅ ｄ ｅ ｓ ｉｇ ｎ ａ ｎｄ ｔｈｅ ｃ ｏｒｒｅ ｓ ｐ ｏｎｄ ｅ ｎｃ ｅ ｆｕｎｃ ｔｉｏｎ ｒｅ ａ ｌｉｚａ ｔｉｏｎ ａ ｓ ｗｅ ｌｌ ａ ｓ ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ ｖｉｓ ｉｂ ｌｅ ｓ ｏｆｔｗａ ｒｅ ｗｈｉｃ ｈ ｏｎ ｒｅ ａ ｌｉｚｅ ｓ ｉｎ ｌａ ｂ ｏｒ ｃ ｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｍａ ｃ ｈｉｎｅ ． Ｋｅ ｙｗｏｒｄｓ ：ＨＡＲＴ ｐ ｒｏｔｏｃ ｏｌ，ｃ ｕｒｒｅ ｎｔ ｒｉｎｇ ｃ ｏｍｍｕｎｉｃ ａ ｔｉｏｎ，ｖｉｓ ｕａ ｌｉｚａ ｔｉｏｎ ｏｆ ｏｉｌ ｆｉｅ ｌｄ ｗｅ ｌｌ ｄ ａ ｔａ
为了符合 ４～２０ｍＡ ＨＡＲＴ 协议的标准， 本 系 统 的 两 线 回 路
中 的 电 流 量 固 定 。因 此 通 信 系 统 供 电 的 电 流 不 能 超 过 所 定 电 流 。
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 ４ｍＡ。所以电流环对下位机 的 供 电 能 力 有 限 ， 优 化 设 计
各种新型钻采技术都需要准确的井下数据支持。由于钻井 深度可达几千米， 井下环境复杂， 要求系统耐高温且具有极强的 抗干扰能力； 井下器件的电能供应问题得不到很好的解决， 不能 长时间连续工作。因此， 井下数据采集成为新技术应用的瓶颈。 目前的测井技术大多是在井口采集数据， 进而推算出井下数据 或者把采集数据电路板放置到井下利用电池供电， 电池能量耗 尽 后 再 把 采 集 板 提 取 到 地 面 上 。以 上 两 种 方 式 都 不 能 实 时 、快 速 地进行， 不能满足新技术的应用。
动发送， 完成后关闭
ＳＣＩ。图 ２ 是问答式通信
程序的流程图。
图 ２ 通信程序流程图
４．２ 上位机可视化软件设计 上位机负责控制数据采集、创建通信等过程， 以及按照用户
要求显示数据。本系统在井上设计一个上位数据接口， 完成 Ｈａ ｒｔ 协 议 到 串 口 协 议 ＲＳ２３２ 的 转 换 ， 再 连 接 工 控 机 ， 在 下 位 机 Ｈａ ｒｔ 通信模块的基础上加上 ＲＳ２３２－ ＴＴＬ 转化电路。