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基于HART协议的智能温度變送器设计

发布日期:2020-01-03 13:50:50  来源:  作者:  浏览次数:
【導讀】:【摘要】 根据石油化工厂的实际需要,研制了一种支持HART协议的智能型温度變送器,采用高性能單片計算機C8051F410和HART調制解調芯片作爲核心部件;供電電路與信號調理電路設計獨特。整體電路結構簡單、成本低廉,性價比高。......
 
    【摘要】  根据石油化工厂的实际需要,研制了一种支持HART协议的智能型温度變送器,采用高性能單片計算機C8051F410和HART調制解調芯片作爲核心部件;供電電路與信號調理電路設計獨特。整體電路結構簡單、成本低廉,性價比高。
 
    引言
    HART是现场變送器的主要数字通讯方式之一,HART协议仪表广泛应用于现代工业控制系统中。在變送器的设计中,由于其功能所制约,既要在3.5毫安以下解决仪表供电问题,同时还要进行二线制变送、信号调理、运算和就地显示;使用环境因素限制了电路体积,本安防爆限制整个电路内能量累计,室外工作要求电路要能工作在天气极限高低温条件下,因此整体變送器电路结构复杂。随着电子技术和计算机技术的发展,低功耗、高性能、宽温芯片的出现,使得變送器的设计相对简单了许多,成本也降低了很多。智能化、低成本、功能强是仪表设计的主要方向。本设计采用高性能单片计算机C8051F410和HART调制解调芯片,加上独特的供电电路与信号调理电路设计,使得整体电路结构简单、成本低廉,性价比高。
 
 
    1  系统整体设计及主要技术指标
    本仪器主要分成四部分进行设计:回路供电及4-20MA电流环输出;信号调理及单片机的运算输出;HART通讯;显示与参数设置。整体电路如图1所示。
 

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    供电电路提供工作电流3.5毫安、工作电压3.3V的恒压、恒流,为變送器所有电路提供电源。熱電阻信号调理部分向传感器提供恒流激励,并且将传感器的输出电压经适当的滤波后引入到A/D转换器的模拟输入接口;A/D转换部分对传感器输
 
    出的信号放大后,转换为数字量供MCU使用;MCU对电压信号进行线性化和补偿处理,得到待测量的温度值。
 
    HART通信模块由HART调制解调器和D/A转换器及外围电路组成,D/A输出部分完成电压到环路电流的转换,将MCU输出的数字量转换成相应的4~20mA电流信号;HART调制解调器接收叠加在4~20mA电流+-0.5mA调制信号,将检测到的FSK数字信号解调,通过串口通信传给MCU,MCU产生的应答帧数字信号通过HART调制解调器调制成FSK频移键控信号,叠加在4~20mA电流信号上发送出去。
 
    参数显示与设置部分由段式液晶显示器和微动按键组成,用于變送器参数和显示设置。
 
     主要技术指标如下:
     供电电压:9~32VDC。
     使用环境温度:-40~85度。
     仪器全量程精度:0.5级。
 
    2  硬件设计
    2.1  回路供电电路及4-20MA电流环设计
    为了完成智能變送器工作电压9~32VDC供电与工作电流3.5-22Ma要求,电源设计使用微功耗OPA244运算放大器,放大器允许工作电压高达36V,功耗只有35微安运放,配合并联型参考源,设计出一个提供工作电流3.5毫安、工作电压3.3V的恒压、恒流电路,为變送器所有电路提供电源,保证變送器自身工作电流变化不会影响變送器电流输出。
 
    由于运放本身静态功耗35UA,反馈电流耗掉33UA,参考源非常低静态电流10UA,因此实际能给變送器其他部分提供的电流为3.4MA,如果變送器其他部分使用电流小于3.4MA,多余电流通过参考源流出,如果电流大于3.4Ma,电路失效,因此,所有變送器其他电路设计要保证总电流小于3.4毫安,變送器输出的与传感器信号相对应的电流信号由单片机DA输出控制TLV2252、T31、T32组成的恒流输出电路实现,为了保证仪表输出精度,电流输出驱动部分采用达林顿结构,电流放大倍数达万倍以上,忽略由于基极电流流出对仪表输出精度的影响。
 
    2.2信号调理及单片机电路设计
    熱電阻信号调理部分使用TLV2252低供耗轨到轨运算放大器,差动放大电路解决了熱電阻导线引线电阻对熱電阻测量温度的影响,为了尽可能提高后续单片机内AD转换器使用效率,在电路中添加了去零点电阻R19,让R19电阻值等于仪表非常小量程时熱電阻阻值,这样,放大器电压输出只和温度变化对熱電阻阻值变化相关,提高了AD转换器使用效率,V=KI(RT-R19),熱電阻激励恒流源有C8051F410提供,C8051F410能提供0.25、0.5、1、2毫安多量程恒流源,为了减少功耗,选用0.5毫安做熱電阻激励恒流源。C8051F410单片机工作在内部时钟191406点上,也是C8051F410上电约定工作频率点,在此点工作频率下,不开外设,耗电200UA,开设AD和0.5和0.25毫安两路DA,整体电流供耗小于2毫安。
 
    由于恒流源由C8051F410单片机提供,恒流大小可变,在实际使用中可根据实际情况自动调整恒流大小,使调理电路输出和AD转换输入量程相匹配,提高AD转换效率,AD转化器转化速度为200KPS,使用过采样技术可适当提高AD转换精度,本设计内部过采样时AD转换精度达到13位稳定输出。为了补偿仪表受温度的影响,使用单片机内部自带温度传感器对仪表整体做温度补偿。单片机内带看门狗电路、内带可再线编程FALSH,省掉了仪表设计必须的看门狗和参数掉电防止丢失电路。
 
    2.3HART电路设计
    HART协议通讯电路使用MAXIM公司的DS8500芯片,极低的微安及功耗使其可以忽略功耗对整体电路设计的影响,输入信号通过阻容隔离滤波电路直接引入芯片,输出部分通过阻容隔直及阻抗匹配耦合到电流输出电路输入端,完成HART通讯电路设计。
 
    2.4显示与键盘控制电路设计
    显示电路使用HT1621控制器,控制段式液晶显示器,为了使變送器在没有HATR手持编程器时能够对變送器设置,在前面板增装了3个微动按键,用来设置参数,液晶显示电路耗电约500微安,为了方便變送器夜间使用,液晶显示使用了背光,考虑到耗能要求,本设计使用4~20毫安电路环驱动液晶背光。
 
    3  软件设计
    软件主要完成如下几个方面操作:数据采集、存储、运算,信号的自校准运算、HART通讯协议、变送输出、液晶显示及键盘操作等内容,程序框图见图2。
 
 
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    4  结束语
    整个电路设计简单,充分利用了C8051F410所带资源,成本造价极低,在设计中控制大电感电容的使用,为后续本安设计提供基础。

 

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