基于HART協(xié)議的智能溫度變送器設計

[摘要]根據石油化工廠(chǎng)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,采用高性能單片計算機C8051F410和HART調制解調芯片作為核心部件;供電電路與信號調理電路獨特。整體電路結構簡(jiǎn)單、成本低廉,性?xún)r(jià)比高。
0引言
       HART是現場(chǎng)變送器的主要數字通訊方式之HART協(xié)議儀表廣泛應用于現代工業(yè)控制系統中。在變送器中,由于其功能所制約,既要在3.5毫安以下解決儀表供電問(wèn)題，同時(shí)還要進(jìn)行二線(xiàn)制變送、信號調理、運算和就地顯示;使用環(huán)境因素限制了電路體積，本安防爆限制整個(gè)電路內能量累計，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構復雜。隨著(zhù)電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，低功耗、高性能、寬溫芯片的出現,使得變送器的相對簡(jiǎn)單了許多，成本也降低了很多。智能化、低成本、功能強是儀表的主要方向。采用高性能單片計算機C8051F410和HART調制解調
芯片，加上獨特的供電電路與信號調理電路,使得整體電路結構簡(jiǎn)單、成本低廉,性?xún)r(jià)比高
1系統整體及主要技術(shù)指標
      本儀器主要分成四部分進(jìn)行:回路供電及4-20MA電流環(huán)輸出;信號調理及單片機的運算輸出;HART通訊;顯示與參數設置。整體電路如圖1所示。

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
      熱電阻信號調理部分向傳感器提供恒流激勵,并且將傳感器的輸出電壓經(jīng)適當的濾波后引入到A/D轉換器的模擬輸人接口;A/D轉換部分對傳感器輸出的信號放大后，轉換為數字量供MCU使用;MCU5對電壓信號進(jìn)行線(xiàn)性化和補償處理,得到待測量的溫度值。
      HART通信模塊由HART調制解調器和D/A轉換器及外圍電路組成,D/A輸出部分完成電壓到環(huán)路電流的轉換，將MCU輸出的數字量轉換成相應的4~20mA電流信號;HART調制解調器接收疊加在4~20mA電流+-0.5mA調制信號,將檢測到的FSK數字信號解調，通過(guò)串口通信傳給MCU,MCU產(chǎn)生的應答幀數字信號通過(guò)HART調制解調器調制成FSK頻移鍵控信號,疊加在4~20mA電流信號上發(fā)送出去。
參數顯示與設置部分由段式液晶顯示器和微動(dòng)按鍵組成,用于變送器參數和顯示設置。
主要技術(shù)指標如下:
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。
2硬件
2.1回路供電電路及4-20MA電流環(huán)
      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，電源使用微功耗OPA244運算放大器，放大器允許工作電壓高達36V,功耗只有35微安運放，配合并聯(lián)型參考源，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。
      由于運放本身靜態(tài)功耗35UA，反饋電流耗掉33UA,參考源最低靜態(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(guò)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要保證總電流小于3.4毫安，變送器輸出的與傳感器信號相對應的電流信號由單片機DA輸出控制TLV2252、T31、T32組成的恒流輸出電路實(shí)現，為了保證儀表輸出精度，電流輸出驅動(dòng)部分采用達林頓結構，電流放大倍數達萬(wàn)倍以上，忽略由于基極電流流出對儀表輸出精度的影響。
2.2信號調理及單片機電路
      熱電阻信號調理部分使用TLV2252低供耗軌到軌運算放大器，差動(dòng)放大電路解決了熱電阻導線(xiàn)引線(xiàn)電阻對熱電阻測量溫度的影響，為了盡可能提高后續單片機內AD轉換器使用效率，在電路中添加了去零點(diǎn)電阻R19，讓R19電阻值等于儀表最量程時(shí)熱電阻阻值，這樣，放大器電壓輸出只和溫度變化對熱電阻阻值變化相關(guān)，提高了AD轉換器使用效率,V=KI(RT-R19)，熱電阻激勵恒流源有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毫安做熱電阻激勵恒流源C8051F410單片機工作在內部時(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(kāi)外設,耗電200UA,開(kāi)設AD和0.5和0.25毫安路DA,整體電流供耗小于2毫安。由于恒流源由C8051F410單片機提供,恒流大小可變，在實(shí)際使用中可根據實(shí)際情況自動(dòng)調整恒流大
小,使調理電路輸出和AD轉換輸入量程相匹配,提高AD轉換效率,AD轉化器轉化速度為200KPS，使用過(guò)采樣技術(shù)可適當提高AD轉換精度，內部過(guò)采樣時(shí)AD轉換精度達到13位穩定輸出。為了補償儀表受溫度的影響，使用單片機內部自帶溫度傳感器對儀表整體做溫度補償。單片機內帶看門(mén)狗電路、內帶可再線(xiàn)編程FALSH，省掉了儀表必須的看門(mén)狗和參數掉電防止丟失電路。
2.3HART電路
      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整體電路的影響，輸人信號通過(guò)阻容隔離濾波電路直接引人芯片，輸出部分通過(guò)阻容隔直及阻抗匹配耦合到電流輸出電路輸人端,完成HART通訊電路。
2.4顯示與鍵盤(pán)控制電路
      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(méi)有HATR手持編程器時(shí)能夠對變送器設置，在前面板增裝了3個(gè)微動(dòng)按鍵，用來(lái)設置參數,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，使用4~20毫安電路環(huán)驅動(dòng)液晶背光。
3軟件
      軟件主要完成如下幾個(gè)方面操作:
      數據采集、存儲、運算,信號的自校準運算、HART通訊協(xié)議、變送輸出、液晶顯示及鍵盤(pán)操作等內容,程序框圖見(jiàn)圖2。

4結束語(yǔ)
      整個(gè)電路簡(jiǎn)單,充分利用了C8051F410所帶資源，成本造價(jià)極低,在控制大電感電容的使用，，為后續本安提供基礎。