HART变送器智能卡可靠性设计研究与实现

重庆大学

硕士学位论文

姓名：李卫东

申请学位级别：硕士

专业：仪器仪表

指导教师：秦岚;刘进江

20060401

摘要

不论是民用设备还是军用装备，质量与可靠性都是永恒的主题，随着经济与国防建设的不断发展，可靠性问题已越来越引起人们的重视，可靠性已被视为为一项巨大工程给予深入研究。可预见，在今后的工程建设中，必将会对产品的质量和可靠性提出更高的要求，为此需要不断的学习新理论、新技术，并及时借鉴国外的先进经验应用于我们的产品中。

产品的可靠性是衡量产品质量的一个重要指标。对产品进行可靠性设计，就是对产品的可靠性进行未来设计。要想提高产品的可靠性，必须首先从设计上满足产品的固有可靠性的要求，而可靠性设计就是为产品的固有可靠性奠定基础。

论文详细介绍了HART变送器智能卡各个功能模块的工作原理，对各项性能指标进行了分析，根据各种因素确定了该产品的可靠性设计指标，并给出了可靠性逻辑框图和可靠性数学模型，在此基础上展开了对HART变送器智能卡可靠性设计的研究工作，具体的研究内容有：

1、对HART变送器智能卡进行可靠性预计：产品电路初步确定后，根据元器件可靠性预计手册，进行应力分析和可靠性预测，得出单元电路的可靠性应力分析及可靠性指标预测分析表；

2、对设计要求的可靠性目标值进行分配：将产品的可靠性指标合理的分配到各个单元电路，并与预计值相比较，并得出该产品整体到单元级的可靠性分配数据表；

3、从可靠性设计技术实现的角度出发，结合HART变送器智能卡具体电路实施简化电路设计、降额设计、热设计和电磁兼容性等可靠性设计技术，还对设计制造过程进行全面的可靠性控制，即对元器件加以选用、认定和限制，最后对方关键电路进行失效模式与效应分析，得出了HART变送器智能卡的故障分析和FMEA分析表；

4、对三套HART变送器智能卡的十项指标进行了测试实验，得到了比较满意的实验结果，通过机械工业过程控制系统产品质量监督检测中心的检测证明，HART 变送器智能卡的各项指标都满足技术要求。

实验结果证明，本文完成的HART变送器智能卡的可靠性设计达到了产品设计的目标要求，为HART变送器智能卡的设计和推广提供了重要的理论和实践基础。

关键词：HART变送器智能卡，可靠性设计，可靠性指标，可靠性分配，可靠性预计，失效分析

ABSTRACT

For civil or military equipment, the quality and reliability are eternal centers. With the development of economy and national defence, the reliability has been a great project to research.It can be forecasted that new theories, new techniques and overseas advanced experiences must be studied in order to meet the higher requirement of products’quality and reliability.

Reliability engineering is the science that using reliability design, failure prediction, control, experiment and analysis to realize the reliability index.

Products’reliability is an important guide line of product quality. Reliability design is to design the product future reliability.To improve reliability, we must design to meet products’ inherent reliability demand，and the reliability design is to establish the base for products’ inherent reliability.

The theories of HART transmitter smart card’s every function blocks are introduced and every function indexs are analysed in this paper.The reliability indexs are confirmed based on many factors,and the reliability logic diagram and the reliability mathematic model are also presented in this paper. Thereout, the research work for the reliability design of HART transmitter smart card is carried out,and all detailed work is as follows:

1. Reliability prediction of HART transmitter smart card:After confirming the circuit, stress analysis and reliability prediction are processed based on the component handbooks,and the table of circuit reliability stress analysis and reliability index prediction is presented in this paper.

2. Distributing the reliability index into circuit units: The reliability index of demand is distributed into circuit units and compared with the expected value.The table of reliability distribution data is got in this paper.

3. From the point of view of the reliability design technology, the simplification circuit design, the decrease design, the heat design and the electromagnetic compatibility design are carried out based on the circuit of HART transmitter smart card. Otherwise the reliability control is processed through design and manufacture course, namely through selecting components, taking cognizance of components, and restricting components, then failure mode analysis of circuit is carried out in order to get the table of malfunction analysis and FMEA analysis of HART transmitter smart card.

4. Ten indexs of three HART transmitter smart cards are tested,and the results are satisfactory.The test result from the production quality supervising and testing center of machine industry control system proves that indexs of HART transmitter smart cards all meet the technology demand.

The experiment results prove that the reliability design of HART transmitter smart card in this paper meets the demand of production design.It provides important academic and practice base for the design and popularization of HART transmitter smart card.

Key words: HART transmitter smart card,Reliability design, Reliability indexs, Reliability prediction, Reliability distributing, Failure mode analysis

重庆大学硕士学位论文插图与附表清单

插图与附表清单

图的清单

序号图题页码

图2.1 HART变送器智能卡模块图 6

图2.2 HART变送器智能卡的结构框图7

图2.3 OSI与HART通信模型的对应关系9

图2.4 HART数字通讯信号9

图3.1 HART变送器智能卡可靠性框图13

图4.1 软件模块构成图25

图4.2 主程序流程图26

图4.3 5ms定时器中断处理流程图27

图4.4 主变量采集与中值滤波处理流程图28

图4.5 片内温度采集与算数平均滤波处理流程图29

图5.1 HART设备网络连接拓扑33

图5.2 HART实验系统照片37

图5.3 HART智能压力变送器照片37

表的清单

序号表题页码

表 3.1产品整机、各功能单元可靠性预计汇总表15

表3.2 HART仪表智能卡各单元的评分值18

表3.3 整机到功能单元的可靠度分配统计表18

表5.1 测试数据记录表34

表5.2 测试数据记录表35

重庆大学硕士学位论文符号和定义一览表

符号和定义符号一览表

λ失效率

R(?) 可靠度函数

T 时间

π可靠性预计模型中的修正系数

MTBF 平均故障间隔时间(即平均寿命)

FMEA 故障模式影响分析(Failure Mode Analysis的简称)

FTA 失效树分析(Fault Tree Analysis)

HART 是现场总线基金会制定的一种总线协议。

(是Highway Addressable Remote Transducer 的缩写)

1 引言

1.1 问题的提出

如果一台仪表在极端工况下(如极限负荷下)长时间运行而不坏是否说明它的可靠性高？它在恶劣的环境条件下能正常工作是否说明可靠性高？它坏了以后很易修复是否说明可靠性高？在日常生活中，我们对一台测量仪器使用“可靠”这个词时，通常是指不管发生什么情况，不论在什么时候，它都能忠实地工作，或者说它很少出毛病。把日常生活中的概念用合乎逻辑的语言确切地表达出来，就得到可靠性的定义[1]：

可靠性是产品在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功能的能力。

在产品的研制开发过程中，必须重视可靠性分析与设计，有的产品只注意其功能的完善，而忽视可靠性设计，导致其产品可靠性不高。不可靠产品的应用会造成巨大的经济损失，甚至导致灾祸的发生，丧失信誉，失去市场，其教训是沉痛的。目前国内每年有大批研制的新型仪表通过鉴定，然而真正推广应用的却很少，其重要原因之一就是产品不可靠，无法投入实际应用。所以在市场经济条件下广大用户已开始重视产品的可靠性，对提高产品可靠性的要求也越来越迫切，并将它作为产品的重要技术指标之一，明确写入合同中。

“产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的”，这是钱学森先生在一次国防系统可靠性工作会议上做出的论断，产品可靠性首先是设计出来的[2]。一般产品的功能特性在设计阶段就被决定下来了，可靠性也是如此。设计阶段确定的可靠性目标值称作设计可靠性，一般产品在制造、运输和使用过程中，由于各种因数的影响会使设计的固有可靠性下降。因此，产品越复杂。设计时就要规定更高的可靠性，才能确保产品最终能达到使用时要求的可靠性。如果在设计时留下不可靠的隐患，在产品制成后再于以弥补，由此引起的故障损失要花费成倍的代价。根据日本对形成产品故障的原因调查分析，因设计不良引起的故障占50%，元件、材料不良占37%，制造不良的原因占13%。

自上世纪50年代可靠性工程开始成为新兴学科以来，可靠性设计就一直是其重要组成部分。现在，可靠性设计技术已经成熟，在国内外已得到广泛的应用，并带动了相关产品可靠性水平的提高。例如，在20世纪80-90年代有的自动化仪表企业积极开展产品的可靠性工作，使仪表MTBF从3000-5000小时提高到8000-25000小时，现场MTBF高于10万小时。

可靠性设计的任务就是要通过设计奠定产品的可靠性基础，研究在设计阶段如何预测和预防各种可能发生的故障和隐患，使其达到规定的定性的或定量的可

靠性目标值。

HART协议现场总线仪表是传统的模拟仪表向FF现场总线仪表过度的桥梁，它具有模拟信号(4～20mA)和数字信号(HART信号)双重传输功能。它既可以作为普通的智能式模拟仪表使用，又能作为现场总线型数字仪表进行网络化使用。与大多数传统的模拟仪表和智能仪表相比，它具有远程参数设定、参数修改、自诊断功能，因此，它得到了越来越广泛的使用和用户的认可。

HART是Highway Addressable Remote Transducer 的缩写。最早由Rosemount 公司开发得到八十多家著名仪表公司的支持，并成立了HART通信基金会。这种被称为寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。

随着信息技术、网络技术的不断发展，用户对多样化智能仪表的需求量，越来越大；为此各个仪表生产厂家都想拥有成本低、功能更多、性能更好和可靠性更高智能仪表，用以保持市场竞争优势。基于此目的开发HART变送器智能卡，以满足中小仪表生产厂家的需求，弥补中小企业开发能力的不足。我们研制的新一代HART变送器智能卡具有技术和成本上的优势；一方面，采用了数字模拟信号混合集成电路等新器件；另一方面，通过技术创新，率先对FSK(Frequency Shift Keying)调制解调器进行软件模拟仿真，用软件实现了HART信号的调制解调技术；可直接替代通用方案中的HART调制解调器专用芯片，使得总体成本降低，与国内同类产品相比，可建立起技术、价格上的优势，更具市场竞争力。当然，作为一个高科技产品光有技术、价格优势是远远不够的，还要有可靠的质量保证。因此，HART变送器智能卡的可靠性就显得特别重要；为此我们对HART变送器智能卡做了专门的可靠性技术设计分析及应用。

1.2 国内外同类产品的特点及可靠性水平分析

1.2.1 产品的特点

①由于采用了功能强大的微处理器而使灵活性增大、功能增强。

②具有很强的自诊断能力。

③量程覆盖宽：压力0～0.2kPa～41.37MPa，温度所有分度号的全量程。

④精度优于0.1级，量程比优于40:1。

⑤零点和量程调整互不影响。

⑥兼有远程和本地零点、量程调整，传感器类型选择。

⑦二线制，符合HART协议，可与手操器或PC机进行数字通信而不影响模拟量输出。

⑧具有非线性校正和温度漂移补偿。

⑨稳定性好、精度高、阻尼可调。

⑩无可动元件，通用性好，维护方便。

1.2.2 可靠性水平分析

(1) 国外变送器可靠性水平较高，有关资料报道：一般现场指标达百年左右。如：

公司名称产品型号可靠性指标(年)

Rosemount 3051型 120

Fisher 1151型 100

Foxboro 860型 30

Honeywell ST3000型 100

(2) 目前国产变送器的可靠性水平为：

产品等级试验室时间(h) 现场时间(h)

合格品 8000 50000

一等品 16000 100000

优等品 25000 250000

从以上分析可看出，两者差距较大，我们必须加大可靠性设计、分析、预计

的力度，提高国产变送器的可靠性水平，尽快缩短与国外的差距[3]。

1.3 本文研究的意义

在我们日常生活中可靠性问题其实早就存在，但在习惯上一般不讲“可靠性”这个名词，而常用“质量好、寿命长、经久耐用”等概念来表示[4]。

可靠性是仪表产品的一项重要质量特性。可靠性设计技术是通过设计奠定产

品的可靠性基础，研究在设计阶段如何预测和预防各种可能发生的故障和隐患。

为保障各行业生产的正常运行，如何提高其可靠性已成为制造行业和用户共同关

心的重要课题。因为：

1、随着工业技术的不断发展，使得产品、系统也不断向大容量、高参数发展，使整机、系统变得更加复杂、庞大，构成的零部件数量不断增多，迫切需要一套

保证系统可靠性的设计分析技术。

2、工业技术的迅速发展，带动了产品的快速更新换代，为适应产品的迅速更新换代，就需要以设计为中心，能事前预测和分析产品可靠性的设计技术。

3、社会、用户对产品的可靠性要求提高。对某些关键重大设备，用户已不满足一般的可靠性定性要求，如“质量好、寿命长”等口头承诺，需要有定量的可靠性指标保证概念。

可靠性已成为产品在国内、国际市场上竞争的焦点。美国人曾预言：今后能在竞争中取胜，立足于世界市场的只有那些能掌握自己产品可靠性的企业。日本人也认为：今后市场产品竞争的焦点是可靠性。

现在国内、国际市场上有些产品，如发电设备，在投标和签订合同中已开始采用可靠性指标。

新开发研制的产品通常早期故障较多，所以要保证产品的可靠性，首先要从源流阶段抓起，研制开发阶段是决定产品固有可靠性的关键阶段，必须把可靠性工作做透。否则就会将存在的早期故障带到用户那里，造成各种故障，使用户蒙受不同程度的损失，从而也严重地影响了仪表制造企业的信誉。

产品的功能设计是为了实现产品的性能指标要求，而可靠性设计的基本任务是，在现有的或者通过努力可以获得的零部件、元器件水平和工艺水平的基础上，在进行产品功能设计的同时，运用可靠性设计技术实现产品的可靠性指标要求。

产品在设计、制造、试验、包装、运输、贮存、使用、维修各个阶段都存在可靠性问题，但首要的问题是抓好可靠性设计，它将为产品的可靠性奠定基础。在设计阶段采取措施提高产品可靠性，比在以后各阶段采取措施都要好，不仅收效显著，而且将大幅度节省投资。所以在HART变送器智能卡的设计中开展了可靠性设计技术的应用，以便使该产品的可靠性指标满足设计技术要求。

1.4 本文完成的主要工作

(1) 深入研究分析HART变送器智能卡的各个功能模块的工作原理，以及对HART仪表智能通信卡配套的通信协议进行分析，为开展HART变送器智能卡可靠性设计打下基础；

(2) 对HART变送器智能卡可靠行设计展开理论研究，对该产品进行可靠性预计、可靠性指标分配、故障分析等，通过计算和分析分别得到了该产品的可靠性逻辑框图、数学模型、单元电路的可靠性应力分析及可靠性指标预测分析表、产品到单元级的可靠性分配数据表等；

(3) 论文从可靠性设计技术实现的角度出发，结合具体电路实施简化电路设计、降额设计、热设计和电磁兼容性等可靠性设计技术，还对元器件加以选用、认定和限制，最后对方关键电路进行失效模式与效应分析，得出了HART变送器

智能卡的故障分析和FMEA分析表；

(4) 按现行国家标准GB3836.1-2000《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》、GB3836.4-2000《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备“i”》和《本质安全型现场总线仪表及系统测试评定指南》[5]、[6]的有关要求，对电路元器件参数进行了严格的分析计算，使HART变送器智能卡组装成的变送器与安全栅配套组成本质安全防爆系统，使用于现场具有ⅡC级爆炸危险性气体和蒸汽的爆炸危险场所。并通过本安审查、试验及认证。

2 HART变送器智能卡

2.1 HART变送器智能卡的工作原理

HART变送器智能卡由电源块、智能卡、液晶显示器三个模块组成，如下图所示。

图2.1 HART变送器智能卡模块图

Fig2.1 Structure Diagram of HART Transmitter Smart Card

电源块：HART变送器智能卡是总线供电系统，总线电源在12～45V范围内都能正常工作。所谓总线供电，顾名思义, 也就是说: HART变送器智能卡的工作电流要从4-20mA的总线上截取;而且HART变送器智能卡的工作电流必须小于3.5mA; 否则HARTT变送器智能卡就不能正常通讯。因为HART通讯需要±0.5mA 的电流，HART智能仪表的设计难点之一就在于功耗问题，解决这一问题的方法是：

其一，如果传感器供电和总线电源需要隔离的话；那么HART变送器智能卡和仪表卡分别用两个隔离电源供电，两个电源在4-20mA的总线上串联工作，把一个3.5mA变成两个3.5mA，HART变送器智能卡和仪表卡隔离工作，这样一来既解决了功耗问题，也提高了仪表的工作稳定性。

其二，如果传感器供电和总线电源不需要隔离，传感器和HART智能卡采用同一电源供电，在这种情况下，就要尽量选用低功耗元器件，把传感器和HART 智能卡的静态工作电流控制3.5mA以内。

智能卡：由微处理器、数/模信号转换器、HART数字通讯和FRAM存储器等组成，完成压力信号或者温度信号到4～20mA DC的转换。

微处理器控制变送器的运行，对传感器信号进行检测，并通过线性化处理和补偿运算，计算出被测介质的压力或温度值，并送往数/模信号转换器和HART通讯部分。除此之外微处理器还进行传递函数的运算、工程单位及量程的转换、阻尼调整及自诊断功能。

数/模信号转换器把微处理器修正后的压力或温度数字信号按输出形式转换成4～20mA DC模拟信号送往输出回路。

FRAM存储器保存着通过远程、本地调整所能修改的所有阻态数据。即使关

闭了电源，仍然能完整地保存存储器中的数据。

HART数字通讯电路在变送器和手操器或控制系统之间提供接口。这个电路检测迭加在4～20mA回路上的FSK(频移键控)信号，发送部分以同样形式将信号迭加在4～20mA回路上，完成数字通讯的双向传输。

液晶显示器：主要显示时实检测数据和本地设置时的一些设置提示符、设置修改参数、单位、传感器类型等。是根据显示需要定制的段式液晶片，由CPU直接驱动，工作温度范围：-20～70℃。

2.2 HART变送器智卡的结构

HART变送器智能卡的结构框图如下图2.2所示。

图2.2 HART变送器智能卡的结构框图

Fig 2.2 HART Transmitter Smart Card Principle Block Diagram

1、CPU的功能特点：

CPU选用16位单片机MSP430F427，它的功能特点[7]、[8]：

(1) 低工作电压范围：1.8V～3.6V。⑾

(2) 超低功耗：400μA at 1MHz，3.0V。

(3) 16-Bit RISC 指令体系，125nS指令周期。

(4) 32KB Flash Memory，1KB RAM Memory。

(5) 3个独立的16-Bit Sigma-Delta A/D，带差分PGA输入。

(6) 16位定时器TIMER_A(3捕获/比较寄存器)。

(7) 集成128段LCD驱动器。

(8) 串行通信接口(UART)，通过软件选择异步UART或同步SPI。

(9) 电源电压管理/监控。

(10) 串行在线编程，无需外部编程电压。

(11) 安全熔丝可编程代码保护。

由于MSP430F427具有上述功能特点，完全满足HART变送器智能卡的功能需求，而且不需要另加A/D转换器和LCD驱动器，既节约了成本、功耗，又简化了电路板的布线，有利于提高可靠性。

2、LCD显示：

由MSP430F427直接驱动的液晶模块，主要显示时实检测数据和本地设置时的一些设置修改参数的显示。

3、掉电保护：

选用FRAM铁电存储器FM24CL16[9]，存储容量16Kbit，IIC接口，最大1MHz 的总线频率，写数据无延迟。用以保存初始设置、修改参数值或测量累积值，是智能仪表所必需的功能。

4、看门狗：

选用IMP706R[10] ，具有低电压检测复位和超时复位功能；当电源电压低于2.65V时，IMP706R就会自动复位；当CPU死机或程序跑飞，1.4s以上CPU对IMP706R 无操作时序，IMP706R也会自动复位[11]，这样可以防止因意外干扰使CPU死机，能使CPU自动恢复运行，提高HART变送器智能卡的可靠性。

5、调制解调器：

选用HT2012或HT2015[12]、[13]，这两款芯片是SMAR公司专为HART协议总线开发调制解调器。它们的主要功能是将频率信号解调成数字信号和将数字信号编码成频率信号。它的工作流程是：总线传来的HART信号经过带通滤波器滤波后传送HT2012，HT2012进行解码，解码后的数字信号通过串行口传送到CPU，CPU接收数据后按HART协议规程进行数据分析、处理，然后通过串行口发送数据到HT2012。HT2012将数字信号编码成HART协议规定的信号输出，经波形变换，变换成三角波传送到AD421，AD421将三角波变换成正弦波输出到总线和4～20mA信号相迭加，实现HART通讯信号的传送。

6、D/A转换器：

选用AD421[14]、[13]，AD421有三大功能：其一可提供3V电源和2.5V参考源；其二是16位D/A转换输出环路4～20mA模拟信号；其三是将HART数字信号与环路4～20mA模拟信号迭加输出。

2.3 HART通信协议

HART协议使用了FSK技术，在4~20mA信号过程测量模拟信号上叠加了一

个频率信号，它成功地使模拟信号与数字双向通信能同时进行，而不相互干扰。

HART通信协议允许两种通信模式：第一种是“问答式”，即主设备向从设备发出命令，从设备予以问答，每秒钟可以交换两次数据；第二种是“成组模式”，即无需主设备发出请求而从设备自动地连续发出数据，传输率每秒提高到3.7次，但这只适用于“点对点”的连接方式，而不适用于多站连接方式[16]。

HART通信模型由三层组成：物理层、数据链路层和应用层。其模型结构如下图2.3所示。它的物理层采用Bell 202国际标准，数据链路层用于按HART通信协议规则建立HART信息格式。其信息构成包括前导码、终端与现场设备地址、字节数、现场设备状态与通信状态、数据、奇偶校验等。应用层的作用在于使HART 命令付诸实现，即通信状态转换成相应的信息[16]。

图2.3 OSI与HART通信模型的对应关系[9]

Fig 2.3 OSI and HART Communication Model Corresponding Relation

物理层规定了HART通讯的物理信号方式和传输介质。HART协议采用了Bell202标准的FSK频移键控信号。它在4~20mA的模拟信号上叠加幅度为0.5mA 的正弦调制波，1200Hz代表逻辑“1”，2200Hz代表逻辑“0”，如图2.4所示。由于所叠加的正弦信号平均值为0，所以数字通讯信号不会干扰4~20mA的模拟信号。HART通讯可以有点对点或多点连接模式。传输介质一般为双绞线，当传输距离较长时，可用屏蔽双绞线[12]、[13]。

图2.4 HART数字通讯信号[9]

Fig 2.4 HART Digital Communication Signal

2.4 本章小结

本章详细阐述了HART变送器智能卡的每个组成模块的工作原理，并对该产品的结构作了分析，给出了每个部分的功能特点，最后对HART通信协议作了简单介绍。

3 HART变送器智能卡可靠性设计研究

3.1 可靠性设计目标

3.1.1 HART变送器智能卡功能及性能指标

根据上一章的介绍知道，HART变送器智能卡具备下列功能：

(1)符合HART协议通讯，且能同时传输HART数字通信信号和4～20mA模拟信号；实现的方式是将HART数字通信信号的1、0调制成1200Hz和2200Hz的正弦波信号，其振幅为400mV～800mV，利用正弦电流信号的平均电流为零这一特性，将其叠加在4～20mA的总线上传输，而互不影响；

(2) 16位串行D/A转换器，输出4～20mA的模拟信号；

(3)16位A/D转换器；

(4) 液晶显示及本地参数设置功能；

(5) 重要参数掉电保护；

(6) 自诊断功能：对过程测量和控制中的异常情况(如输入或输出断线、量程范围、通道识别、表体超温等)、软件和硬件局部故障等进行诊断；

(7) 组态功能(用HART手持终端或上位机)：就地或远距离设定和调正参数，其中包括：传感器型号选择、零点、量程上、下限值设定、工程单位选择、PID调节及其相关参数设定等；

(8) 非测量管理信息：提供如下非测量管理信息：工位号、描述符、出厂日期、出厂编号、生产单位、产品型号、规格、防护等级、防爆等级、安装日期、维护责任者、维修日期和内容等，完全符合HART协议规范所规定的软件、硬件功能，并具有通用性、互换性。

HART变送器智能卡的性能指标[18]：

(1) 环境温度：-30～75℃

一般生产过程测量仪表(即变送器)都是安装在生产现场，工作环境比较恶劣，要求能在-30∽75℃范围内正常工作；为满足环境温度要求，所有元件全部选用工业级温度范围(－40～85℃)。比如石油、天然气行业所有的变送器都是安装在野外工作，由于我国南北温度差较大，必须满足此要求才能正常工作。

(2) 环境湿度：5～95%

此项要求是针对一个完整的变送器而提出的，对于HART变送器智能卡无法满足此要求；但是，将HART变送器智能卡安装在一个符合相应要求的壳体内，必须满足此要求。这是因为变送器经常安装在野外露天工作，必须满足此要求。

(3) 测量精度：0.1%

测量精度是衡量过程检测仪表测量准确性的一个指标。当然这个指标是相对的而不是绝对的，要根据测量的具体物理量而定，而且也是随着测量技术和电子技术的发展，在不断发展提高。比如上世纪80年代测量温度的温度变送它的测量精度就可以达到千分之五；而测量压力、差压的变送器它的测量精度一般来说只能达到百分之一。而现在一般智能仪表温度测量可达千分之二，压力、差压测量可达千分之三。而HART变送器智能卡通过软件对传感器测量信号的非线性校正和温度漂移补偿，温度测量可达万分之三，压力、差压测量可达千分之一。

(4) 可靠性指标：MTBF≥25000h

MTBF称为产品的平均寿命。可靠性指标是设计人员在产品可靠性方面的一个设计目标。是衡量产品可靠性的定量化尺度。按我国现行的可靠性考核国家标准规定：产品在实验室考核MTBF≥25000h，就属于优等品；现场就可达到：MTBF≥250000h。作为新产品设计开发就应该向优等品去努力。

(5) 本安防爆标志：ExiaIICT6

ExiaIICT6标志是本质安全防爆产品的最高级别，达到此级别的过程检测、控制产品可用于任何易燃易爆、高温、高压的危险场合。为把HART变送器智能卡的防爆安全性能设计为本质安全型，防爆标志为ExiaⅡCT6；在电路设计时完全按现行国家标准GB3836.1-2000《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》、GB3836.4-2000《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备“i”》和《本质安全型现场总线仪表及系统测试评定指南》的有关要求，对电路元器件参数进行了严格的分析计算，使HART变送器智能卡组装成的变送器与安全栅配套组成本质安全防爆系统，使用于现场具有ⅡC级爆炸危险性气体和蒸汽的爆炸危险场所。

(6) 通信误码率小于万分之三

这是指HART变送器与主设备之间数据交换，连续交换一万个数据，出错的数据不超过三个。这就要求HART变送器智能卡的通讯是可靠的，为使HART变送器智能卡通讯可靠，我们做了两方面的努力；一方面从硬件着手，使通讯滤波电路和编码、解码电路工作稳定可靠，编码、解码不出误码；另一方面从软件这手，使HART协议栈软件和应用软件运行不出现死机和程序跑飞现象。在软件开发过程中，除按要求制定严格的软件设计书外，在设计时采用自顶向下的设计方法，同时采用结构化程序设计方法，将软件根据完成任务情况(如通信软件、I/O模块软件)设计成若干个独立的软件模块，分别进行调试和检查，待无问题后，再联成一个整体进行调试和检查，以确保软件具有较高的可靠性。通过提高软硬件的运行可靠性，达到HART变送器智能卡的通讯可靠性。

(7) 抗电磁干扰；

为使HART变送器智能卡能够在任何有电磁干扰的环境下工作，必须具有较强抗电磁干扰能力，在电路设计时采取了各种措施提高HART变送器智能卡的抗干扰性能。最主要的方法是在电路设计时采用电磁兼容设计技术进行分析和预测各种干扰源对电路可能产生的影响。分析和预测的关键在于数学模型的建立和对系统内、系统间电磁干扰的计算、分析。数学模型包括根据实际电路、布线和参数建立起来的所有骚扰源、传播途径与干扰接收器模型。分析、计算所有干扰源通过各种可能传播途径对每个干扰接收器的影响，并判断这些综合影响的危害是否符合相应的标准和设计要求。通过综合分析找出干扰源和干扰接收源，有针对性地优化电路设计，提高滤波电路的性能与效果, 并在总线上增加射频滤波电容；在电路板设计时，通过优化布线对局部干扰源进行屏蔽和隔离，增大地线的宽度，减小地电阻，对电路的各部分进行单点接地等措施提高HART变送器智能卡的抗电磁干扰能力。在开发完成后再进行全性能试验(包括电磁兼容试验)、可靠性考核试验、本质安全防爆审查试验。

3.1.2 HART变送器智能卡可靠性指标

可靠性指标是设计人员在产品可靠性方面的一个设计目标。是衡量产品可靠性的定量化尺度。它是和产品的其它指标(如性能、功能参数)一起在产品的规划阶段就应该研究决定的设计目标值。确定HART变送器智能卡可靠性指标的依据主要有以下几点：

(1) 调查和分析国内外市场最受用户欢迎的同类产品的可靠性指标。作为新产品开发的可靠性目标值；也反应了用户对产品可靠性的期望。

(2) 考虑市场上竞争产品现有可靠性指标。即考虑由于产品不可靠给公司产品市场带来的损失。

(3) 考虑达到可靠性指标所需时间及条件的限制，应当从用户需要和市场要求出发，不能简单地认为可靠性越高越好，因为过高的指标意味着增加新产品开发的成本，延长开发时间，增加制造成本和提高销售成本，要考虑用户对产品接受水平和价格的承受能力。

根据以上要求[19]，确定该产品的可靠性指标为：平均寿命MTBF≥25000 h。

3.2 HART变送器智能卡可靠性逻辑框图

可靠性逻辑框图是用方框图的形式表示产品与所组成的单元的可靠性逻辑关系。因为产品是由单元构成的，可靠性逻辑框图能反映单元可靠性对产品可靠性的影响，即产品与单元间可靠性的相互关系。

对于故障相互独立的单元，每一方框代表一个单元：

(1) 当产品中任何一个单元发生故障都使产品发生故障时，将各方框图画成串

联形式，称为可靠性串联系统；

(2) 当组成系统(产品)的所有单元都发生故障时，系统才能发生故障，这样的系统成为并联系统。

此次研制的产品是属于串联系统。因为该仪表智能卡它是由电源块、智能卡、

液晶显示器三部分组成，只要其中某一部分发生故障都会使产品发生故障。所以它的可靠性逻辑框图构成如下图。

3.3 可靠性数学模型

建立该产品可靠性模型的目的和用途是能定量分配、预计和评估产品的可靠性。

可靠性数学模型是表示各组成单元在分析计算上的数学关系。也即是这些单元的失效率、可靠度或其他有关特征量的数学表达式。

产品可靠性模型是进行可靠性预计的基础，可靠性模型不正确，预计就失去应有的价值。因此，必须清楚了解产品工作原理和功能，根据具体设计方案建立正确的可靠性模型。串联系统的可靠性数学模型为[17]：

∏==?????=n

i i n S R R R R t R 1

21)( (3.1)

式中： n ——组成系统的单元数，

i R ——系统中第i 个单元的可靠度， s R ——产品的可靠度。

假设每个单元的寿命分布均服从指数分布时，即t i i e R λ?=，则产品的可靠度为：

t n

i t n i i s s i e e R t R λλ?=?====∏∏1

)( (3.2)

式中：产品的失效率

∑==+???++=n

i i n s 1

21λλλλλ (3.3)

因此，HART 变送器智能卡失效率数学模型为：

λ(HART 变送器智能卡)= λ(A)+λ(B)+λ(C) (3.4)

式中：λ(HART 变送器智能卡)——是产品的失效率；

λ(A)——电源块单元A 的失效率； λ(B)——智能卡单元B 的失效率； λ(C)——液晶显示器单元C 的失效率。产品的平均故障间隔时间(即平均寿命)为：

图3.1 HART 变送器智能卡可靠性框图

Fig3.1 HART Transmitter Smart Card Reliability Block Diagram