前文，我們對HART協議智能變送器的功耗和通信系統進行了分析和講解。這里我們繼續對單片機的數模轉換器和壓力變送器的設計進行講解。首先讓我們看看在數模轉換器方面的設計內容吧。

一、單片機及A/D轉換器

1.A/D轉換器為實現智能變送器的功能,在電路硬件設計上,需要1個增益可調的儀表放大器和1個分辨率至少在14位的A/D轉換器,來實現對傳感器信號的放大和模數轉換｡這樣才能達到智能變送器的高精度､自動調節量程､大量程比的設計要求｡對智能差壓變送器,還需要對靜壓和溫度進行采樣,從而實現對靜壓和溫度的補償,提高全范圍的測量精度｡這樣,還需要1個多路轉換器實現通道間的切換｡如果選用分立元件,必然會有相當大的功耗引入,難以滿足HART協議智能變送器功耗要求｡某些大公司為兼容4~20mA的智能變送器設計了專用A/D轉換器,如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714｡其共同點是將增益可調的儀表放大器､多路轉換器和A/D轉換器集成在1個芯片中,功耗在幾百μA左右,為實現HART協議智能變送順提供了方便｡

MAX1400基本性能:

(1)MAX1400[1]為低功耗､多通道､帶SPI同步串行口的∑/ΔA/D轉換器;

(2)18位分辨率;

(3)3個全差分或5個準差分信號輸入通道;

(4)可編程PGA,選定增益分別為(1,2,4,8,16,32,64或128);

(5)AIN1~AIN6可組成3個全差分輸入通道,也可以組合成5個準差輸入通道;

(6)2個額外的全差分系統校正通道CALOFF和CALGAIN用來作為失調和增益誤差的校正;

(7)MAX1400內的2個漂移補償緩沖器,用于隔離所選輸入和PGA及調制器的電容性負載的聯系｡當V+為5V供電時,MAX1400的參考輸入為2.5V,模擬輸入的變化范圍為-Vimax~+Vimax｡Vimax=5÷(2×GAIN)｡

2.單片機為實現高性能､微功耗的智能變送器控制電路,單片機選用PIC16C73[7]｡它具有功耗低､運行速度快､功耗強等特點｡采用長字節指令,所有指令均為單字長,除跳轉為雙周期指令均為單周期(4個時鐘周期)指令｡內含看門狗､8級硬件堆棧､192×8RAM､32上定時器､2個捕捉器､5路8位A/D轉換器､SPI/I2共用的同步串行口､1個異步發送/接收串口USART､多種中斷功能,包括B口RB4~RB7輸入電平變化中斷｡ 

二、基于HART協議智能壓力/差壓變送器的設計

電路所用集成電路為上面所提及的,其特點為:集成度高､性/價比好､功耗低､功能強｡片間的數據通信采用MOTOROLA公司推出的同步串行外圍接口SPI(Serial PeripheralInterface),同優點是占用MCU資源小,可根據系統的大小隨著擴充｡在實際應用中,單片機可方便地與帶SPI接口的集成電路芯片如A/D､D/A､數據存儲器等連接｡由于單片機PIC16C73帶有SPI串行總線硬件接口,使數據通信速度更高,使用更靈活｡

1.電路說明

A/D轉換器MAX1400的2個全差分通道AIN1､AIN2和AIN3､AIN4分別對差壓傳感器TRS1､靜壓傳感器TRS2進行厝數轉換｡AIN5和AIN6組成準差分輸入通道對TRS1的恒流輸入進行監測｡傳感器均為半導體壓阻傳感器,壓阻傳感器的特點是它的每個橋臂電阻都比較大,一般為2kΩ,以下均假設它們的橋臂電阻值為2kΩ｡采用恒流供電,可以進一步減小傳感器的非線性和溫度對傳感器輸出靈敏度的影響｡實驗得知,壓力和差壓傳感器的等效電阻值在全溫度范圍內(0~70℃)的變化量是全量程內壓力或差壓所引起的等效電阻值變化的100倍左右,因此,AIN5所測得的A/D值可以對整個變送器進行溫度補償｡為提高變送器的測量精度,須對靜壓給差壓帶來的誤差進行補償,所以電路中設計了全差分通道AIN3､AIN4對靜壓傳感器TRS2進行監測,從而可實現對靜壓的補償｡

HART通信模塊由HT2012和波形整形電路及帶通濾波器組成｡整形電阻由74HC126(4個三態輸出緩沖器)組成,并能通過2個750Ω電阻及2.2μF的耦合電容,將整形后的HT2012發出的電壓信號輸入到AD421的開關電流源和濾波器功能塊中,可實現HART電壓信號由±0.5mA電流信號的轉換｡帶通濾波器由2個運算放大器及電阻､電容組成｡它將4~20mA環路上的±0.5mAHART電流信號轉換為HART電壓信號,經HT2012解調,再送入單片機串行通信接口中,從而完成數據的接收任務｡ #p#

AD421除完成4~20mA電流信號輸出及HART通信外,還為系統提供電源及參考電壓｡它的2.5V參考電壓供自己和MAX1400使用｡數據存儲器選用24LC65,為8KB的串行E2PROM,供電電壓2.5~5.5V,功耗:讀電流150μA;寫電流3mA(5V供電)｡用來存放傳感器特性參數及現場組態命令､工作參數､通信數據｡

HT2012的19.2kHz信號,送入PIC16C73的計數器輸入端,用于檢測HT2012的工作情況｡

HT2012的OCD信號,送入PIC16C73的RB7端｡RB7設為中斷方式,用于檢測通信狀態｡

2.功耗及電流分配

AD421由4~20mA環路主電源供電,轉換的5V電源為自己和24LC65及MAX1400的模擬電路部分供電,設計時須留下功耗余量｡AD421工作電流為600μA,24LC65讀電流為10μA,MAX1400的模擬電路工作電流不超過100μA,而變送器功耗設計為3.4mA,剩下2.5mA電流供電路其他器件使用｡具體分配如下:傳感器由恒流二極管3CRC供電0.5mA,剩下2.0mA電流由另一支3CRC恒流后供電路的其他部分使用｡這樣可避免由于器件在動態和靜態工作時功耗的不同而引起4~20mA信號的變化(盡管實驗證明這個變化是很小的)｡

3CRC恒流原理是:其內部提供一穩定的1.24V從兩管腳引出,在這兩管腳上接1個電阻即可中輸出恒流｡計算公式為:I(mA)=1.24/R(kΩ)｡只要保證3CRC的工作電壓略大于1.24V即可正常工作｡穩壓管選用ZRC330｡它的穩壓值為3.3V,最小工作電流為20μA,最大吸收電流達5mA,溫度系數50ppm是比較理想的器件｡MAX1400的工作電流值小于150μA(3.3V供電),HT2012的功耗電流40μA,帶通濾波器選用運放TLC27L2C,最大功耗電流僅為48μA｡整形電路的74HC126工作于低頻下最大電流500μA左右,剩下1.25mA電流供單片機消耗｡單片機PIC16C73的功耗在4MHz時鐘､Vdd=3V時,為2.0mA;而在4MHz和20MHz時鐘､VDD=5V下工作時,電流值分別為2.7mA和13.5mA｡可見適當降低單片機工作頻率可使其功耗大幅度下降｡由于PIC16C73除跳轉指令外,均為單字節指令,指令周期僅為4個時鐘周期同,其運行速度比其他類型的單片機快,適當降低工作頻率其運行速度仍遠遠滿足變送器實時要求｡本設計單片機采用1MHz工作頻率,其功耗的實驗數據小于1mA｡

HT2012工作主時鐘為特殊的460.8kHz,需要特或向SMAR公司索取｡本電路采用1片PIC16C58A[7]單片機,外接1.8432MHz晶振,經單片機4分頻后,正好輸出460.8kHz的時鐘,直接供HT2012使用｡PIC16C58A單片機是PIC系列單片機中的低擋產品,功耗與PIC16C73相當｡由于電路由增加了1片單片機,整個電路的功耗將超出允許范圍｡為保證功耗要求,電路設計采用能量分時復用的方法:程序通過V1､V2､V3實現傳感器和PIC16C58A的分時復用,即變送器在做A/D轉換時,系統給傳感器供電,當需要檢測通信有無或主動進行通信時,單片機將給傳感器的0.5mA關斷,而將電流并入3.3V工作電源上,同時啟動PIC16C58A｡PIC16C58A的功耗指標為32kHz時鐘,VDD=3V時典型值小于15μA｡由于對PIC16C58A的某一I/O口(如RB)進行置高､置低操作,所以不怕程序"跑飛",因此不需PIC16C58A片內的WDT功能,將它置于OFF狀態,功耗大大降低｡因此,PIC16C58A在1.8432MHz的時鐘下工作,其功耗不會超過0.5mA｡對數據存儲器24LC65的功耗:讀電流150μA,沒有功耗問題;而寫電流3mA,一般出現在數據通信完成之后的很短時間內,只要規定在通信時4~20mA電流信號作廢,即可解決功耗要求問題｡24LC65一定要接在4~20mA主電源中｡從以上分析,電路功耗小于3.4mA的智能變送器,滿足要求｡

三、結束語

本文從智能變送器的基礎功能出發,針對HART協議智能變送器的數據通信和功耗要求的特點,在大量實驗的基礎上,設計了智能壓力/差壓變送器應用電路,其中MAX1400､AD421､HT2012均通過了程序調試｡在本電路中只用1只壓力傳感器,它就是壓力變送器｡如將壓力傳感器換為溫度傳感器主,就是HART協議智能溫度變送器｡由于水平的原因,文章中必然存在許多有待改進之處｡希望本文的研究能對智能變送器的開發提供有益的幫助｡