基于HART協(xié)議的智能溫度變送器設(shè)計(jì)

根據(jù)石油化工廠的實(shí)際需要，研制了一種支持HART協(xié)議的智能型溫度變送器，上海上自儀公司采用高性能單片計(jì)算機(jī)C8051F410和HART調(diào)制解調(diào)芯片作為核心部件；供電電路與信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)獨(dú)特。整體電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，性價(jià)比高。

引言

HART是現(xiàn)場(chǎng)變送器的主要數(shù)字通訊方式之一，HART協(xié)議儀表廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中。在變送器的設(shè)計(jì)中，由于其功能所制約，既要在3.5毫安以下解決儀表供電問題，同時(shí)還要進(jìn)行二線制變送、信號(hào)調(diào)理、運(yùn)算和就地顯示；使用環(huán)境因素限制了電路體積，本安防爆限制整個(gè)電路內(nèi)能量累計(jì)，室外工作要求電路要能工作在天氣極限高低溫條件下，因此整體變送器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，低功耗、高性能、寬溫芯片的出現(xiàn)，使得變送器的設(shè)計(jì)相對(duì)簡單了許多，成本也降低了很多。智能化、低成本、功能強(qiáng)是儀表設(shè)計(jì)的主要方向。本設(shè)計(jì)采用高性能單片計(jì)算機(jī)C8051F410和HART調(diào)制解調(diào)芯片，加上獨(dú)特的供電電路與信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，使得整體電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，性價(jià)比高。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及主要技術(shù)指標(biāo)

本儀器主要分成四部分進(jìn)行設(shè)計(jì)：回路供電及4-20MA電流環(huán)輸出；信號(hào)調(diào)理及單片機(jī)的運(yùn)算輸出；HART通訊；顯示與參數(shù)設(shè)置。

供電電路提供工作電流3.5毫安、工作電壓3.3V的恒壓、恒流，為變送器所有電路提供電源。熱電阻信號(hào)調(diào)理部分向傳感器提供恒流激勵(lì)，并且將傳感器的輸出電壓經(jīng)適當(dāng)?shù)臑V波后引入到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入接口；A/D轉(zhuǎn)換部分對(duì)傳感器輸出的信號(hào)放大后,轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供MCU使用;MCU對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行線性化和補(bǔ)償處理，得到待測(cè)量的溫度值。

HART通信模塊由HART調(diào)制解調(diào)器和D/A轉(zhuǎn)換器及外圍電路組成，D/A輸出部分完成電壓到環(huán)路電流的轉(zhuǎn)換，將MCU輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的4～20mA電流信號(hào)；HART調(diào)制解調(diào)器接收疊加在4～20mA電流+-0.5mA調(diào)制信號(hào)，將檢測(cè)到的FSK數(shù)字信號(hào)解調(diào)，通過串口通信傳給MCU，MCU產(chǎn)生的應(yīng)答幀數(shù)字信號(hào)通過HART調(diào)制解調(diào)器調(diào)制成FSK頻移鍵控信號(hào)，疊加在4～20mA電流信號(hào)上發(fā)送出去。

參數(shù)顯示與設(shè)置部分由段式液晶顯示器和微動(dòng)按鍵組成,用于變送器參數(shù)和顯示設(shè)置。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

供電電壓：9～32VDC。

使用環(huán)境溫度：-40～85度。

儀器全量程精度：0.5級(jí)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 回路供電電路及4-20MA電流環(huán)設(shè)計(jì)

為了完成智能變送器工作電壓9～32VDC供電與工作電流3.5-22Ma要求，電源設(shè)計(jì)使用微功耗OPA244運(yùn)算放大器，放大器允許工作電壓高達(dá)36V，功耗只有35微安運(yùn)放，配合并聯(lián)型參考源，設(shè)計(jì)出一個(gè)提供工作電流3.5毫安、工作電壓3.3V的恒壓、恒流電路，為變送器所有電路提供電源，保證變送器自身工作電流變化不會(huì)影響變送器電流輸出。

由于運(yùn)放本身靜態(tài)功耗35UA，反饋電流耗掉33UA，參考源非常低靜態(tài)電流10UA，因此實(shí)際能給變送器其他部分提供的電流為3.4MA，如果變送器其他部分使用電流小于3.4MA，多余電流通過參考源流出，如果電流大于3.4Ma，電路失效，因此，所有變送器其他電路設(shè)計(jì)要保證總電流小于3.4毫安，變送器輸出的與傳感器信號(hào)相對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)由單片機(jī)DA輸出控制TLV2252、T31、T32組成的恒流輸出電路實(shí)現(xiàn)，為了保證儀表輸出精度，電流輸出驅(qū)動(dòng)部分采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，電流放大倍數(shù)達(dá)萬倍以上，忽略由于基極電流流出對(duì)儀表輸出精度的影響。

2.2信號(hào)調(diào)理及單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

熱電阻信號(hào)調(diào)理部分使用TLV2252低供耗軌到軌運(yùn)算放大器，差動(dòng)放大電路解決了熱電阻導(dǎo)線引線電阻對(duì)熱電阻測(cè)量溫度的影響，為了盡可能提高后續(xù)單片機(jī)內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器使用效率，在電路中添加了去零點(diǎn)電阻R19，讓R19電阻值等于儀表非常小量程時(shí)熱電阻阻值，這樣，放大器電壓輸出只和溫度變化對(duì)熱電阻阻值變化相關(guān)，提高了AD轉(zhuǎn)換器使用效率，V=KI（RT-R19），熱電阻激勵(lì)恒流源有C8051F410提供，C8051F410能提供0.25、0.5、1、2毫安多量程恒流源，為了減少功耗，選用0.5毫安做熱電阻激勵(lì)恒流源。C8051F410單片機(jī)工作在內(nèi)部時(shí)鐘191406點(diǎn)上，也是C8051F410上電約定工作頻率點(diǎn)，在此點(diǎn)工作頻率下，不開外設(shè)，耗電200UA，開設(shè)AD和0.5和0.25毫安兩路DA，整體電流供耗小于2毫安。

由于恒流源由C8051F410單片機(jī)提供，恒流大小可變，在實(shí)際使用中可根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整恒流大小，使調(diào)理電路輸出和AD轉(zhuǎn)換輸入量程相匹配，提高AD轉(zhuǎn)換效率，AD轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化速度為200KPS，使用過采樣技術(shù)可適當(dāng)提高AD轉(zhuǎn)換精度，本設(shè)計(jì)內(nèi)部過采樣時(shí)AD轉(zhuǎn)換精度達(dá)到13位穩(wěn)定輸出。為了補(bǔ)償儀表受溫度的影響，使用單片機(jī)內(nèi)部自帶溫度傳感器對(duì)儀表整體做溫度補(bǔ)償。單片機(jī)內(nèi)帶看門狗電路、內(nèi)帶可再線編程FALSH，省掉了儀表設(shè)計(jì)必須的看門狗和參數(shù)掉電防止丟失電路。

2.3HART電路設(shè)計(jì)

HART協(xié)議通訊電路使用MAXIM公司的DS8500芯片，極低的微安及功耗使其可以忽略功耗對(duì)整體電路設(shè)計(jì)的影響，輸入信號(hào)通過阻容隔離濾波電路直接引入芯片，輸出部分通過阻容隔直及阻抗匹配耦合到電流輸出電路輸入端，完成HART通訊電路設(shè)計(jì)。

2.4顯示與鍵盤控制電路設(shè)計(jì)

顯示電路使用HT1621控制器，控制段式液晶顯示器，為了使變送器在沒有HATR手持編程器時(shí)能夠?qū)ψ兯推髟O(shè)置，在前面板增裝了3個(gè)微動(dòng)按鍵，用來設(shè)置參數(shù)，液晶顯示電路耗電約500微安,為了方便變送器夜間使用，液晶顯示使用了背光，考慮到耗能要求，本設(shè)計(jì)使用4～20毫安電路環(huán)驅(qū)動(dòng)液晶背光。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件主要完成如下幾個(gè)方面操作：數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算，信號(hào)的自校準(zhǔn)運(yùn)算、HART通訊協(xié)議、變送輸出、液晶顯示及鍵盤操作等內(nèi)容。

4 結(jié)束語

整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡單，充分利用了C8051F410所帶資源，成本造價(jià)極低，上海上自儀公司在設(shè)計(jì)中控制大電感電容的使用，為后續(xù)本安設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。