構(gòu)建具有低功耗轉(zhuǎn)換器和微控制器的智能模擬過程儀表變送器

作者：Albert O'Grady and Jim Ryan

模擬變送器是一種現(xiàn)場安裝的設(shè)備，可感測壓力或溫度等物理參數(shù)，并產(chǎn)生與標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)測量變量成比例的電流，即 4 至 20 mA。在雙絞線環(huán)路中以電流形式提供輸出具有許多優(yōu)點：測量信號對噪聲不敏感，不受環(huán)路電阻變化的影響;符合標(biāo)準(zhǔn)的變送器可互換;為發(fā)射器電路供電所需的功率可以從遠(yuǎn)程提供的環(huán)路電壓中獲得。圖1所示為傳統(tǒng)發(fā)送器電路，由電源、電流操縱發(fā)送器和接收控制器組成。

圖1.模擬變送器。

變送器設(shè)計滿足了用戶對提高性能和多功能性以及降低成本和維護(hù)的要求。第二代“智能模擬變送器”具有微處理器（和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換），可提供遠(yuǎn)程內(nèi)存和計算能力（圖 2）。它可以在將信號轉(zhuǎn)換為電流并將其傳輸回控制器之前遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)信號。例如，它可以歸一化增益和失調(diào)，線性化具有已知非線性的傳感器（如RTD和熱電偶），方法是轉(zhuǎn)換為數(shù)字，使用μP中的算術(shù)算法進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換回模擬并在環(huán)路上作為標(biāo)準(zhǔn)電流傳輸。這減輕了控制室的信號處理負(fù)擔(dān)，如果必須處理大量信號，這是一個很大的優(yōu)勢。

圖2.智能發(fā)射器。

第三代“智能和智能”發(fā)射器增加了數(shù)字通信，與傳統(tǒng)的 4-20mA “dc”信號共享相同的雙絞線（圖 3）。通信通道允許通過雙絞線傳輸測量變量的模擬和數(shù)字版本，以及與變送器相關(guān)的控制信號和診斷數(shù)據(jù)，例如校準(zhǔn)系數(shù)、設(shè)備 ID 和與故障診斷相關(guān)的數(shù)據(jù)。變送器故障可以遠(yuǎn)程診斷，這對于危險場所的變送器非常有用。

Hart協(xié)議是智能發(fā)射器使用的事實通信標(biāo)準(zhǔn)。它采用基于貝爾 202 標(biāo)準(zhǔn)的頻移鍵控 （FSK） 調(diào)制。數(shù)據(jù)以 1200 位/秒的速度傳輸，在 2.2 kHz （“0”） 和 1.2 kHz （“1”） 之間切換。

圖3.智能變送器。

智能模擬變送器設(shè)計的組件選擇： 圖4所示為實現(xiàn)圖2所示智能發(fā)射器的電路。以下各節(jié)討論智能變送器設(shè)計因素和表格替代方案。除了低成本之外，最重要的限制因素是整個電路的功耗低于3.5 mA（“低報警”設(shè)置，比0 mA信號底低5.4 mA），以允許發(fā)射器環(huán)路供電。

圖4.智能發(fā)射器的詳細(xì)信息。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器： 選擇ADC的其他主要標(biāo)準(zhǔn)是：

高集成度，可減少前端組件數(shù)量

高分辨率，滿足所需的系統(tǒng)分辨率和精度

采用 3V 或 5V 電源的單電源供電

校準(zhǔn)功能允許消除由于時間和溫度漂移引起的組件或系統(tǒng)誤差。

AD7713、AD7714和AD7715符合這些標(biāo)準(zhǔn)，適合用于任何智能發(fā)射器的前端。

AD7714是一款完整的多通道（3路差分，5路單端）模擬前端，適合低頻應(yīng)用。它可以直接接受來自傳感器的低電平信號（圖 5），具有片內(nèi)可編程增益放大器 （PGA），可配置增益范圍為 1 至 128。大多數(shù)使用AD7714的應(yīng)用中無需前端儀表放大器。

圖5.傳感器接口與AD7714 ADC接口。

基準(zhǔn)電壓源可以從比率測量應(yīng)用的傳感器激勵電壓得出。

其 Σ-Δ 架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá) 24 位的無失碼性能。采用3 V或5 V單電源供電，功耗為650 μA（省電模式下為<5 μA）。AD7714具有差分基準(zhǔn)電壓源輸入。其輸入信號范圍為0至+20 mV至0至+2.5 V，單極性（取決于PGA增益設(shè)置）和±20 mV至±2.5 V雙極性。其串行接口可配置為通過智能發(fā)射器電路中的微控制器輕松隔離的 3 線操作。

μC可以定期進(jìn)行校準(zhǔn)，消除器件本身或整個系統(tǒng)中的增益和失調(diào)誤差以及隨時間和溫度的漂移。校準(zhǔn)功能包括自校準(zhǔn)、背景校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)。片上校準(zhǔn)寄存器允許OEM在工廠進(jìn)行校準(zhǔn)，將系數(shù)存儲在存儲器中，并將其重寫到現(xiàn)場的器件中。

AD7715本質(zhì)上是AD16的1位、7714通道版本，具有PGA和輸入信號范圍、差分基準(zhǔn)電壓源、校準(zhǔn)特性、3 V或5 V單電源供電以及3線串行接口等所有特性。

AD7713是一款用于低頻測量的24位完整模擬前端。其兩個低電平差分模擬輸入通道可以直接從傳感器獲取信號。它還接受高電平（最多為基準(zhǔn)電壓源的四倍）單端輸入。它具有一個差分基準(zhǔn)輸入，并提供兩個片內(nèi)電流源;它們可用于 3 線和 4 線電阻溫度檢測器 （RTD） 電路中的激勵。增益設(shè)置、信號極性和RTD電流控制可以使用雙向串行端口在軟件中進(jìn)行配置。AD7713還具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)功能，以消除零量程和滿量程誤差。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器選型表

微控制器： 微控制器（μC）是智能發(fā)射器的引擎;它控制從傳感器到環(huán)路電流的整個信息傳輸。μC的存儲器和處理能力使得定期校準(zhǔn)、信號調(diào)理、糾錯、溫度補(bǔ)償和線性化成為可能，所有這些都在由環(huán)路電壓供電的遠(yuǎn)程位置完成。除了低成本和低功耗外，用于智能變送器的μC還應(yīng)具有以下特性：

記憶。它應(yīng)該包含足夠的ROM和RAM，無需外部存儲器即可實現(xiàn)所有軟件功能（引導(dǎo)程序加數(shù)據(jù)處理）;這減少了系統(tǒng)中的元件數(shù)量、電路板空間和功耗。

串行通信端口，用于提供與輸入ADC和輸出DAC的內(nèi)部接口，用于控制和數(shù)據(jù)傳輸。只需幾個光隔離器即可輕松實現(xiàn)電流隔離。

低時鐘速度以最大限度地降低功耗，這通常與CMOS器件中的時鐘速度成正比。

該表顯示，μC具有足夠的片上存儲器和足夠低的功耗，可以從環(huán)路供電，并實現(xiàn)典型發(fā)射器所需的“智能”功能。

微控制器選項

數(shù)模轉(zhuǎn)換器：在智能變送器中，DAC是驅(qū)動和控制環(huán)路電流的手段。我們在這里要考慮的示例涉及 2 線遙控發(fā)射器。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電流環(huán)路控制電路的分辨率應(yīng)與前端調(diào)理電路和ADC相當(dāng);DAC應(yīng)該是單調(diào)的，因為過程變量（PV）可能是控制回路的一部分。這些以及足夠低的電源電流足以將環(huán)路電源的總遠(yuǎn)端漏極保持在3.5 mA以下，是最低要求。DAC電路的額定電流消耗當(dāng)然必須包括精密基準(zhǔn)電壓源的消耗和輸出放大器的靜態(tài)電流。工作溫度范圍必須足以維持所需的整體規(guī)格，而不會在工業(yè)環(huán)境中產(chǎn)生過多漂移。其他要求：

高度集成的芯片，可減少整體組件

高分辨率，滿足系統(tǒng)分辨率和精度需求

采用 3V 或 5V 電源供電。

AD421和AD422單芯片IC專為工業(yè)電流環(huán)路控制應(yīng)用而設(shè)計。這兩款器件均提供遠(yuǎn)程變送器操作所必需的功能。

AD421*是一款環(huán)路供電電流控制Σ-Δ型DAC，采用BiCMOS實現(xiàn)，具有高分辨率和高精度。它配有兩個精密基準(zhǔn)和一個穩(wěn)壓器。DAC具有16位分辨率，可在4至20 mA（16 mA范圍）編程范圍內(nèi)工作，還有一個額外位用于選擇性編程0-32 mA范圍內(nèi)的報警電流。DAC輸出為AD421內(nèi)的環(huán)路電流控制電路提供設(shè)定點。該電路通過測量返回電流并操縱在其Boost端子上消耗的電流來伺服環(huán)路電流以跟蹤其設(shè)定值。1.25V 和 2.5V 精密基準(zhǔn)電壓源經(jīng)過激光調(diào)整和溫度補(bǔ)償以實現(xiàn)低漂移，無需任何獨立基準(zhǔn)電壓源。它們可用作DAC（2.5 V）和ADC的基準(zhǔn)輸入。

*在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中，電源和信號（或過程變量）共享相同的接線到遠(yuǎn)程位置。4-20mA 接口可用于傳輸測量變量或向閥門或執(zhí)行器發(fā)送命令信號。執(zhí)行器可能比從4-20 mA環(huán)路信號有效獲得的功率更多，因此它們通常作為四線設(shè)備連接，兩個用于命令信號，一對用于為設(shè)備供電。

AD421集成了一個可調(diào)穩(wěn)壓器，為整個遠(yuǎn)端發(fā)送器電路（包括AD421本身）供電。該穩(wěn)壓器具有 3V、3.3V 和 5V 操作的可選設(shè)置，并可通過合適的外部電阻器編程為 3V 至 5V 的任何電壓。為了實現(xiàn)該穩(wěn)壓器功能，需要一個外部耗盡模式調(diào)整管;它必須能夠提供變送器所需的總電流。AD421采用小外形表面貼裝封裝，非常適合擁擠的防爆外殼。

除了集成的優(yōu)點外，另一個好處是指定了器件的電流環(huán)路控制性能，避免了計算涉及多個器件的誤差預(yù)算的需要。AD421具有SPI型三線接口，可輕松高效地連接大多數(shù)微控制器，如果需要將環(huán)路與傳感器進(jìn)行電氣隔離以實現(xiàn)本質(zhì)安全，則需要最少數(shù)量的光隔離器。

AD421設(shè)計用于智能和智能發(fā)送器應(yīng)用。智能變送器（圖 4）雖然采用數(shù)字操作，但在 16mA （4-20mA） 的范圍內(nèi)僅產(chǎn)生與過程變量成比例的模擬環(huán)路電流。智能變送器增加了另一個功能維度（見側(cè)欄）。變送器既可以模擬形式在電流環(huán)路上發(fā)送PV信號，也可以通過調(diào)制環(huán)路中的電流來發(fā)送和接收數(shù)字信息。數(shù)字信號使用調(diào)制解調(diào)器電路發(fā)送和接收，該電路將數(shù)字電平轉(zhuǎn)換和傳輸為調(diào)制電流，并將接收到的調(diào)制電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字 421 和 20。AD15可與獨立調(diào)制解調(diào)器連接;其電流控制環(huán)路部分為調(diào)制信號提供了一個合適的輸入節(jié)點，用于從外部HART調(diào)制解調(diào)器耦合，例如Symbios Logic的6C<>。獨立的調(diào)制解調(diào)器以數(shù)字方式連接到微控制器或UART，如圖<>所示。

圖6.用一個分立的HART調(diào)制解調(diào)器補(bǔ)充圖4所示的智能傳感器。

新器件AD422降低了使用HART協(xié)議的智能發(fā)送器的物理復(fù)雜性。它將AD421的功能模塊（穩(wěn)壓器、DAC、電流控制環(huán)路和基準(zhǔn)電壓源）與HART調(diào)制解調(diào)器和多個監(jiān)控電路（看門狗定時器、報警輸入和復(fù)位發(fā)生器）集成在一個芯片上！它是一種高度集成的解決方案，專門針對智能變送器的設(shè)計（圖 7），大大減少了組件數(shù)量。

圖7.采用AD422的完整智能發(fā)射器

哈特協(xié)議

工業(yè)應(yīng)用中通過4至20mA電流環(huán)路進(jìn)行通信的事實標(biāo)準(zhǔn)是高速公路可尋址遠(yuǎn)程傳感器（HART）協(xié)議，該協(xié)議最初由羅斯蒙特公司開發(fā)，但現(xiàn)在由HART基金會為一般社區(qū)提供支持。該協(xié)議改編自貝爾 202 頻移鍵控 （FSK） 電話標(biāo)準(zhǔn)：環(huán)路電流以 1200 位/秒的速度傳輸，作為兩個相位連續(xù)頻率之一，即 1.2 kHz“標(biāo)記”（1） 或 2.2 kHz“空間”（0）。經(jīng)過適當(dāng)濾波，交流信號不會影響測量的直流值。HART實現(xiàn)了主/從協(xié)議;遠(yuǎn)程“從”設(shè)備僅在主設(shè)備尋址時響應(yīng)。

由于智能變送器是遠(yuǎn)程儀器，除了模擬PV信號外沒有其他通信方式，因此無法詢問它們的狀態(tài)信息（但額外的報警位可用于輸出小于4 mA或大于20 mA的電流）。然而，智能變送器可以與控制室進(jìn)行交互通信，以便可以隨時輪詢詳細(xì)的狀態(tài)信息。HART電路可以取代現(xiàn)有的智能或模擬變送器安裝，而無需運(yùn)行新的布線，這是一個主要優(yōu)勢，因為大部分現(xiàn)有的變送器裝置都可以通過簡單地用HART兼容的變送器替換現(xiàn)有的變送器來升級。智能變送器還可以提高過程控制回路的性能。例如，控制室可以遠(yuǎn)程“調(diào)整”傳感器輸出。變送器通常能夠測量兩個過程變量（初級和次級過程變量），而不是可以通過簡單的4至20 mA接口傳輸?shù)膯蝹€PV。智能發(fā)射器可以發(fā)送兩個PV上的信息，以及其他相關(guān)信息。HART配置還可以單獨進(jìn)行數(shù)字通信;模擬電流僅用作數(shù)字信息的載體。

該協(xié)議具有許多與七層OSI模型密切相關(guān)的層。ADI公司的AD422是物理層解決方案;其他的則在軟件中實現(xiàn)。

審核編輯：郭婷