基于HART協(xié)議的智能溫度變送器設(shè)計(jì)

張曉東　童少為

【摘 要】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，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(jiǎn)單、成本低廉，性價(jià)比高。

【關(guān)鍵詞】HART協(xié)議;低功耗;智能溫度變送器

中圖分類號(hào)： TP21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）34-0026-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.008

Design of Intelligent Temperature Transmitter Based on HART Protocol

ZHANG Xiao-dong TONG Shao-wei

（College of Information of Engineering，Jilin Institue of Chemical Technology， Jilin Jilin 132022， China）

【Abstract】According to the actual needs of petrochemical plants， an intelligent temperature transmitter based on HART protocol was developed. High-performance single-chip computer C8051F410 and HART modulation chip were adopted as the central controller. The power supply circuit and a signal modulation circuit had been designed specifically. The transmitter had simple structure， and had high precision， lower cost， and high reliability.

【Key words】HART Protocol; Low Power consumption; Intelligent Temperature Transmitter

0 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(jiǎn)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(jiǎn)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。

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(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4～20 mA電流信號(hào);HART調(diào)制解調(diào)器接收疊加在4～20 mA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3.5-22 Ma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電阻值等于儀表最小量程時(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。

2.3 HART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，程序框圖見圖2。

4 結(jié)束語

整個(gè)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，充分利用了C8051F410所帶資源，成本造價(jià)極低，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)。

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