HART協(xié)議壓力變送器的硬件設(shè)計(jì)

1、硬件原理設(shè)計(jì)

被測(cè)介質(zhì)的壓力作用于單晶硅壓力傳感器上，通過信號(hào)檢測(cè)電路將其轉(zhuǎn)換為直流電信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換為一定幅度的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送至MCU處理，壓力及溫度信號(hào)經(jīng)微處理器的數(shù)據(jù)處理，程序運(yùn)算，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換以及HART通信電路處理，將壓力及溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換成所需要的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(hào)及符合HART協(xié)議的數(shù)字信號(hào)，并調(diào)制在二線制電流信號(hào)上，提供給用戶使用，同時(shí)驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。在變送器電路中設(shè)置了專門用于存儲(chǔ)傳感器特征信息的存儲(chǔ)器芯片，用于傳感器出廠特征數(shù)據(jù)的保存實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)冗余保護(hù)。如圖2所示。

2、單晶硅傳感器模塊

單晶硅壓力傳感器內(nèi)部封裝的傳感器芯片的本質(zhì)將決定最終產(chǎn)品的性能與等級(jí)。本文中的傳感器采用德國先進(jìn)的MEMS技術(shù)制成的高穩(wěn)定性單晶硅傳感器芯片，懸浮式設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌德國原裝進(jìn)口測(cè)壓膜盒與信號(hào)處理模塊，使信號(hào)具有極高的一致性，減少裝配應(yīng)力引起的誤差，具有較高的穩(wěn)定性。單晶硅壓力傳感器的輸出靈敏度高、信號(hào)量大，并且電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)潔可靠，與傳統(tǒng)金屬電容式傳感器相比較，具有很好的回差特性，線性誤差曲線的回差極小，基本可以忽略不計(jì)。單晶硅壓力傳感器內(nèi)部集成有隨溫度線性變化的二極管，測(cè)量溫度用于溫度補(bǔ)償參考，可在大范圍內(nèi)的靜壓和溫度下提供極高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

3、信號(hào)處理模塊

智能壓力變送器信號(hào)處理模塊主要由 MCU 微處理器、A/D轉(zhuǎn)換、D/A輸出、存儲(chǔ)器等部分組成。本設(shè)計(jì)選用一款具有超低功耗功能強(qiáng)大的單片機(jī)，具有豐富的片上外圍模塊、強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力、中斷資源多，開發(fā)方式方便高效。MCU內(nèi)含一個(gè)24位高精度Σ－Δ型ADC，信號(hào)單端/差分輸入，內(nèi)部1.2V基準(zhǔn)電壓源，適用于傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換處理。高精度AD將傳感器模塊檢測(cè)輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，交由MCU芯片處理，主控芯片完成線性化，溫度補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)計(jì)算功能后， 相關(guān)的AD值，PV值等數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，由HART信號(hào)實(shí)現(xiàn)同上位機(jī)的通信和數(shù)據(jù)交換，并且通過并且通過LCD液晶屏就地顯示。

4-20mA轉(zhuǎn)換輸出選用了低功耗、高精度的D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5421。4-20mA電流環(huán)的16位DA轉(zhuǎn)換器，與HART協(xié)議兼容，并且具有可編程的報(bào)警電流輸出，在兩線制智能變送器中是一個(gè)非常理想的電流環(huán)芯片，滿足智能變送器的工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。

4、HART通信模塊

HART協(xié)議通信模塊主要由HART調(diào)制解調(diào)芯片和D/A轉(zhuǎn)換器AD5421及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用低功耗的AD5700作為HART調(diào)制解調(diào)器。芯片內(nèi)部集成了符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、接收濾波器、發(fā)送信號(hào)整形電路、載波檢測(cè)等電路便于構(gòu)建滿足HART協(xié)議物理層。
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