前文，我们对HART协议智能变送器的功耗和通信系统进行了分析和讲解。这里我们继续对单片机的数模转换器和压力变送器的设计进行讲解。首先让我们看看在数模转换器方面的设计内容吧。
一、单片机及A/D转换器
1.A/D转换器为实现智能变送器的功能,在电路硬件设计上,需要1个增益可调的仪表放大器和1个分辨率至少在14位的A/D转换器,来实现对传感器信号的放大和模数转换｡这样才能达到智能变送器的高精度､自动调节量程､大量程比的设计要求｡对智能差压变送器,还需要对静压和温度进行采样,从而实现对静压和温度的补偿,提高全范围的测量精度｡这样,还需要1个多路转换器实现通道间的切换｡如果选用分立元件,必然会有相当大的功耗引入,难以满足HART协议智能变送器功耗要求｡某些大公司为兼容4~20mA的智能变送器设计了专用A/D转换器,如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714｡其共同点是将增益可调的仪表放大器､多路转换器和A/D转换器集成在1个芯片中,功耗在几百μA左右,为实现HART协议智能变送顺提供了方便｡
MAX1400基本性能:
(1)MAX1400[1]为低功耗､多通道､带SPI同步串行口的∑/ΔA/D转换器;
(2)18位分辨率;
(3)3个全差分或5个准差分信号输入通道;
(4)可编程PGA,选定增益分别为(1,2,4,8,16,32,64或128);
(5)AIN1~AIN6可组成3个全差分输入通道,也可以组合成5个准差输入通道;
(6)2个额外的全差分系统校正通道CALOFF和CALGAIN用来作为失调和增益误差的校正;
(7)MAX1400内的2个漂移补偿缓冲器,用于隔离所选输入和PGA及调制器的电容性负载的联系｡当V+为5V供电时,MAX1400的参考输入为2.5V,模拟输入的变化范围为-Vimax~+Vimax｡Vimax=5÷(2×GAIN)｡
2.单片机为实现高性能､微功耗的智能变送器控制电路,单片机选用PIC16C73[7]｡它具有功耗低､运行速度快､功耗强等特点｡采用长字节指令,所有指令均为单字长,除跳转为双周期指令均为单周期(4个时钟周期)指令｡内含看门狗､8级硬件堆栈､192×8RAM､32上定时器､2个捕捉器､5路8位A/D转换器､SPI/I2共用的同步串行口､1个异步发送/接收串口USART､多种中断功能,包括B口RB4~RB7输入电平变化中断｡
二、基于HART协议智能压力/差压变送器的设计
电路所用集成电路为上面所提及的,其特点为:集成度高､性/价比好､功耗低､功能强｡片间的数据通信采用MOTOROLA公司推出的同步串行外围接口SPI(Serial PeripheralInterface),同优点是占用MCU资源小,可根据系统的大小随着扩充｡在实际应用中,单片机可方便地与带SPI接口的集成电路芯片如A/D､D/A､数据存储器等连接｡由于单片机PIC16C73带有SPI串行总线硬件接口,使数据通信速度更高,使用更灵活｡
1.电路说明
A/D转换器MAX1400的2个全差分通道AIN1､AIN2和AIN3､AIN4分别对差压传感器TRS1､静压传感器TRS2进行厝数转换｡AIN5和AIN6组成准差分输入通道对TRS1的恒流输入进行监测｡传感器均为半导体压阻传感器,压阻传感器的特点是它的每个桥臂电阻都比较大,一般为2kΩ,以下均假设它们的桥臂电阻值为2kΩ｡采用恒流供电,可以进一步减小传感器的非线性和温度对传感器输出灵敏度的影响｡实验得知,压力和差压传感器的等效电阻值在全温度范围内(0~70℃)的变化量是全量程内压力或差压所引起的等效电阻值变化的100倍左右,因此,AIN5所测得的A/D值可以对整个变送器进行温度补偿｡为提高变送器的测量精度,须对静压给差压带来的误差进行补偿,所以电路中设计了全差分通道AIN3､AIN4对静压传感器TRS2进行监测,从而可实现对静压的补偿｡
HART通信模块由HT2012和波形整形电路及带通滤波器组成｡整形电阻由74HC126(4个三态输出缓冲器)组成,并能通过2个750Ω电阻及2.2μF的耦合电容,将整形后的HT2012发出的电压信号输入到AD421的开关电流源和滤波器功能块中,可实现HART电压信号由±0.5mA电流信号的转换｡带通滤波器由2个运算放大器及电阻､电容组成｡它将4~20mA环路上的±0.5mAHART电流信号转换为HART电压信号,经HT2012解调,再送入单片机串行通信接口中,从而完成数据的接收任务｡ #p#
AD421除完成4~20mA电流信号输出及HART通信外,还为系统提供电源及参考电压｡它的2.5V参考电压供自己和MAX1400使用｡数据存储器选用24LC65,为8KB的串行E2PROM,供电电压2.5~5.5V,功耗:读电流150μA;写电流3mA(5V供电)｡用来存放传感器特性参数及现场组态命令､工作参数､通信数据｡
HT2012的19.2kHz信号,送入PIC16C73的计数器输入端,用于检测HT2012的工作情况｡
HT2012的OCD信号,送入PIC16C73的RB7端｡RB7设为中断方式,用于检测通信状态｡
2.功耗及电流分配
AD421由4~20mA环路主电源供电,转换的5V电源为自己和24LC65及MAX1400的模拟电路部分供电,设计时须留下功耗余量｡AD421工作电流为600μA,24LC65读电流为10μA,MAX1400的模拟电路工作电流不超过100μA,而变送器功耗设计为3.4mA,剩下2.5mA电流供电路其他器件使用｡具体分配如下:传感器由恒流二极管3CRC供电0.5mA,剩下2.0mA电流由另一支3CRC恒流后供电路的其他部分使用｡这样可避免由于器件在动态和静态工作时功耗的不同而引起4~20mA信号的变化(尽管实验证明这个变化是很小的)｡
3CRC恒流原理是:其内部提供一稳定的1.24V从两管脚引出,在这两管脚上接1个电阻即可中输出恒流｡计算公式为:I(mA)=1.24/R(kΩ)｡只要保证3CRC的工作电压略大于1.24V即可正常工作｡稳压管选用ZRC330｡它的稳压值为3.3V,最小工作电流为20μA,最大吸收电流达5mA,温度系数50ppm是比较理想的器件｡MAX1400的工作电流值小于150μA(3.3V供电),HT2012的功耗电流40μA,带通滤波器选用运放TLC27L2C,最大功耗电流仅为48μA｡整形电路的74HC126工作于低频下最大电流500μA左右,剩下1.25mA电流供单片机消耗｡单片机PIC16C73的功耗在4MHz时钟､Vdd=3V时,为2.0mA;而在4MHz和20MHz时钟､VDD=5V下工作时,电流值分别为2.7mA和13.5mA｡可见适当降低单片机工作频率可使其功耗大幅度下降｡由于PIC16C73除跳转指令外,均为单字节指令,指令周期仅为4个时钟周期同,其运行速度比其他类型的单片机快,适当降低工作频率其运行速度仍远远满足变送器实时要求｡本设计单片机采用1MHz工作频率,其功耗的实验数据小于1mA｡
HT2012工作主时钟为特殊的460.8kHz,需要特或向SMAR公司索取｡本电路采用1片PIC16C58A[7]单片机,外接1.8432MHz晶振,经单片机4分频后,正好输出460.8kHz的时钟,直接供HT2012使用｡PIC16C58A单片机是PIC系列单片机中的低挡产品,功耗与PIC16C73相当｡由于电路由增加了1片单片机,整个电路的功耗将超出允许范围｡为保证功耗要求,电路设计采用能量分时复用的方法:程序通过V1､V2､V3实现传感器和PIC16C58A的分时复用,即变送器在做A/D转换时,系统给传感器供电,当需要检测通信有无或主动进行通信时,单片机将给传感器的0.5mA关断,而将电流并入3.3V工作电源上,同时启动PIC16C58A｡PIC16C58A的功耗指标为32kHz时钟,VDD=3V时典型值小于15μA｡由于对PIC16C58A的某一I/O口(如RB)进行置高､置低操作,所以不怕程序"跑飞",因此不需PIC16C58A片内的WDT功能,将它置于OFF状态,功耗大大降低｡因此,PIC16C58A在1.8432MHz的时钟下工作,其功耗不会超过0.5mA｡对数据存储器24LC65的功耗:读电流150μA,没有功耗问题;而写电流3mA,一般出现在数据通信完成之后的很短时间内,只要规定在通信时4~20mA电流信号作废,即可解决功耗要求问题｡24LC65一定要接在4~20mA主电源中｡从以上分析,电路功耗小于3.4mA的智能变送器,满足要求｡
三、结束语
本文从智能变送器的基础功能出发,针对HART协议智能变送器的数据通信和功耗要求的特点,在大量实验的基础上,设计了智能压力/差压变送器应用电路,其中MAX1400､AD421､HT2012均通过了程序调试｡在本电路中只用1只压力传感器,它就是压力变送器｡如将压力传感器换为温度传感器主,就是HART协议智能温度变送器｡由于水平的原因,文章中必然存在许多有待改进之处｡希望本文的研究能对智能变送器的开发提供有益的帮助｡
