基于HART協(xié)議的通用型多通道智能變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的HART(Highway Addressable Remote Transducer)變送器的功能比較單一，只有溫度、壓力、位移、電磁流量等物理量的單一測(cè)量，傳感器輸出微弱的電壓或電流信號(hào)。由于這些傳感器的負(fù)載阻抗、激勵(lì)方式、輸入信號(hào)靈敏度、補(bǔ)償方式均不相同，所以以往的變送器均要求設(shè)計(jì)不同的配套電路與相應(yīng)的傳感器配合，給生產(chǎn)制造部門和采購(gòu)部門帶來很多不便，也使供貨周期延長(zhǎng)，本文研究的智能型HART通用變送器不僅保留了傳統(tǒng)儀表的4 mA~20 mA的模擬信號(hào)的輸出，并且通過HART協(xié)議實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通信。它可與任何符合HART協(xié)議的手操器或控制系統(tǒng)互連;通過手操器或上位機(jī)可遠(yuǎn)程設(shè)定變送器的類型、供電方式(恒壓源供電或者恒流源供電)、零點(diǎn)、量程、工程單位和阻尼時(shí)間等基本信息和參數(shù)。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

微處理器是HART智能變送器的核心中樞，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊正確有序工作。目前市面上用的較多的是51系列單片機(jī)，但51系列單片機(jī)絕大部分仍然采用8 bit中央處理器，對(duì)于像HART通信這樣對(duì)運(yùn)算速度要求比較高的硬件系統(tǒng)來說，8 bit處理器已不能滿足要求。另外51單片機(jī)內(nèi)部的硬件資源比較少，單片機(jī)要與外圍電路如液晶顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、UART通信模塊等進(jìn)行通信，而51單片機(jī)的外圍擴(kuò)展口有限，很顯然不滿足要求。本硬件系統(tǒng)中的MCU采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC9S12E64[3]，該芯片與普通的微處理器芯片相比，有更多的優(yōu)點(diǎn)。MC9S12E64采用模塊化結(jié)構(gòu)和16 bit的中央處理器CPU,最高總線速度8 MHz,大大提高了運(yùn)算速度和精度。

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了滿足多通道數(shù)據(jù)測(cè)量和低功耗，硬件電路主要包括：MCU微處理器模塊;A/D轉(zhuǎn)換模塊;HART通信模塊;電源模塊;恒壓/恒流激勵(lì)電路。

為了實(shí)現(xiàn)多通道模擬信號(hào)的測(cè)量，本硬件系統(tǒng)采用24 bit多路ADC(AD7714)實(shí)現(xiàn)，其中兩路構(gòu)成差分電壓V1輸入，另外兩路分別測(cè)量單端電壓V2和電流I。如圖1所示，在電流的輸入端加一電阻，對(duì)電流的測(cè)量實(shí)際上也是對(duì)電壓的測(cè)量，這樣將測(cè)得對(duì)應(yīng)的電壓值通過換算得到實(shí)際的電流值。

為了克服輸入的電壓，電流信號(hào)對(duì)AD7714測(cè)量的影響，在硬件電路設(shè)計(jì)上使用數(shù)字開關(guān)芯片ADG733，通過MCU控制ADG733，從而間接地“打開”或是“關(guān)閉”輸入通道，消除外部信號(hào)對(duì)AD轉(zhuǎn)換的干擾，另一方面也方便多通道的測(cè)量。在每一路通道前面增加由運(yùn)放構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路，可以組成模擬濾波及放大網(wǎng)絡(luò)，提高測(cè)量精度。UART輸入信號(hào)直接與MCU空閑管腳連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量。考慮到功耗原因，實(shí)際使用時(shí)不可能所有測(cè)量通道都采用，將根據(jù)需要配置為其中1~2個(gè)通道進(jìn)行測(cè)量和轉(zhuǎn)換。

1.2 分層電源網(wǎng)絡(luò)與低功耗設(shè)計(jì)

1.2.1 分層電源網(wǎng)路的設(shè)計(jì)

考慮在單電源供電的情況下(圖2所示),由于MCU、D/A、HART等模塊需要使用近2 mA的電流，因此信號(hào)采樣部分的電量非常有限，僅有1 mA左右。除去A/D、運(yùn)放等消耗的電流，實(shí)際提供給傳感器的電流僅0.5 mA左右。只能通過降低激勵(lì)電壓/電流的大小，減少電量消耗。同時(shí)在軟件里進(jìn)行控制，每次只能對(duì)一個(gè)測(cè)量通道進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換輸出。這一方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是使用受限,僅數(shù)字通信方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多參數(shù)的測(cè)量。

另一種方案是采用分層電源網(wǎng)絡(luò)模式，模擬信號(hào)的測(cè)量和轉(zhuǎn)換使用上層3 V電源網(wǎng)絡(luò)(由TL431調(diào)整得到，可提供約2 mA的電流)，同時(shí)可以利用這一穩(wěn)定的3 V直接作為恒壓源進(jìn)行傳感器激勵(lì)。而數(shù)字信號(hào)(頻率和UART)的測(cè)量采用下層電源網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)和MCU的簡(jiǎn)單連接。這一方案的優(yōu)點(diǎn)是解決了功耗問題，但電路因此變得復(fù)雜，而且在輸入接口側(cè)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)不共“地”， 應(yīng)注意將其分離, 圖3為分層電源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

1.2.2 電平轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)

上層電路如AD7714采用VDD=+6 V， GND=+3 V的電源，其對(duì)AD714來說，+3 V代表的是0，+6 V代表的是1。而MCU采用的是下層電源,即VDD=3 V,GND=0 V,對(duì)MCU來說0 V代表的是0，+3 V代表的是1。如果AD7714要與MCU進(jìn)行SPI通信,很顯然不能簡(jiǎn)單將兩端口相連，需要設(shè)計(jì)合適的電平轉(zhuǎn)換電路以滿足數(shù)字通信要求。

圖4中將MCU的MOSI的0 V~3 V電壓轉(zhuǎn)換為3 V~6 V電壓供AD7714進(jìn)行SPI數(shù)字通信。當(dāng)MCU輸出為0時(shí)，即輸入為0 V，則三極管Vbe=0 V0.7 V,則三極管截止，輸入到反相器的電壓為+6 V，反相器輸出就為3 V;如果MOSI輸入為+3 V時(shí)，三極管導(dǎo)通，輸入到反相器的電壓由+6 V經(jīng)兩電阻分壓提供3 V電壓，則反相器輸出為+6 V，這樣就實(shí)現(xiàn)了電平的轉(zhuǎn)換。同樣由3 V~6 V到0 V~3 V的電平轉(zhuǎn)換如圖5, 當(dāng)輸入為+6 V時(shí)，三極管截止，輸入反相器的為0 V電壓， 則輸出為+3 V， 當(dāng)輸入3 V電壓時(shí)， 三極管導(dǎo)通，經(jīng)分壓輸入到反相器的電壓為+3 V，則輸出為0 V。