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基于HART協議的智能溫度變送器設計

發布日期:2020-01-03 13:50:50  來源:  作者:  瀏覽次數:
【導讀】:【摘要】 根據石油化工廠的實際需要,研制了一種支持HART協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設計獨特。整體電路結構簡單、成本低廉,性價比高。......
 
    【摘要】  根據石油化工廠的實際需要,研制了一種支持HART協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設計獨特。整體電路結構簡單、成本低廉,性價比高。
 
    引言
    HART是現場變送器的主要數字通訊方式之一,HART協議儀表廣泛應用于現代工業控制系統中。在變送器的設計中,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,同時還要進行二線制變送、信號調理、運算和就地顯示;使用環境因素限制了電路體積,本安防爆限制整個電路內能量累計,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。隨著電子技術和計算機技術的發展,低功耗、高性能、寬溫芯片的出現,使得變送器的設計相對簡單了許多,成本也降低了很多。智能化、低成本、功能強是儀表設計的主要方向。本設計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設計,使得整體電路結構簡單、成本低廉,性價比高。
 
 
    1  系統整體設計及主要技術指標
    本儀器主要分成四部分進行設計:回路供電及4-20MA電流環輸出;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。
 

1.jpg

 
 
    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適當的濾波后引入到A/D轉換器的模擬輸入接口;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;MCU對電壓信號進行線性化和補償處理,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,通過串口通信傳給MCU,MCU產生的應答幀數字信號通過HART調制解調器調制成FSK頻移鍵控信號,疊加在4~20mA電流信號上發送出去。
 
    參數顯示與設置部分由段式液晶顯示器和微動按鍵組成,用于變送器參數和顯示設置。
 
     主要技術指標如下:
     供電電壓:9~32VDC。
     使用環境溫度:-40~85度。
     儀器全量程精度:0.5級。
 
    2  硬件設計
    2.1  回路供電電路及4-20MA電流環設計
    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,電源設計使用微功耗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,配合并聯型參考源,設計出一個提供工作電流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影響變送器電流輸出。
 
    由于運放本身靜態功耗35UA,反饋電流耗掉33UA,參考源非常低靜態電流10UA,因此實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計要保證總電流小于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現,為了保證儀表輸出精度,電流輸出驅動部分采用達林頓結構,電流放大倍數達萬倍以上,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設計
    熱電阻信號調理部分使用TLV2252低供耗軌到軌運算放大器,差動放大電路解決了熱電阻導線引線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電阻R19,讓R19電阻值等于儀表非常小量程時熱電阻阻值,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,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鐘191406點上,也是C8051F410上電約定工作頻率點,在此點工作頻率下,不開外設,耗電200UA,開設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單片機提供,恒流大小可變,在實際使用中可根據實際情況自動調整恒流大小,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,使用過采樣技術可適當提高AD轉換精度,本設計內部過采樣時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。單片機內帶看門狗電路、內帶可再線編程FALSH,省掉了儀表設計必須的看門狗和參數掉電防止丟失電路。
 
    2.3HART電路設計
    HART協議通訊電路使用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設計的影響,輸入信號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通訊電路設計。
 
    2.4顯示與鍵盤控制電路設計
    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手持編程器時能夠對變送器設置,在前面板增裝了3個微動按鍵,用來設置參數,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,本設計使用4~20毫安電路環驅動液晶背光。
 
    3  軟件設計
    軟件主要完成如下幾個方面操作:數據采集、存儲、運算,信號的自校準運算、HART通訊協議、變送輸出、液晶顯示及鍵盤操作等內容,程序框圖見圖2。
 
 
2.jpg
 
    4  結束語
    整個電路設計簡單,充分利用了C8051F410所帶資源,成本造價極低,在設計中控制大電感電容的使用,為后續本安設計提供基礎。

 

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