基于MAXQ微控制器構(gòu)建增強(qiáng)型智能4-20mA變送器

　　在電流環(huán)路中，傳感器的輸出電壓首先按比例轉(zhuǎn)換成電流，一般4mA表示傳感器的零電平輸出，20mA表示滿量程輸出。遠(yuǎn)端接收器將4-20mA電流又轉(zhuǎn)換為電壓，利用計(jì)算機(jī)或顯示模塊做進(jìn)一步處理。

　　典型的4-20mA電流環(huán)電路包括四個(gè)部分：傳感器/變送器、電壓-電流轉(zhuǎn)換器、環(huán)路電源和接收器/監(jiān)視器。在環(huán)路供電的應(yīng)用中，傳感器驅(qū)動(dòng)電壓-電流轉(zhuǎn)換器，其他三個(gè)部分串聯(lián)連接，構(gòu)成閉環(huán)回路(圖1)。

圖1. 4-20mA環(huán)路供電電路框圖

　　智能型4-20mA變送器

　　傳統(tǒng)上，4-20mA變送器包括一個(gè)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的器件，該器件感測(cè)物理參數(shù)并產(chǎn)生4-20mA標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的比例電流。為適應(yīng)工業(yè)需求，出現(xiàn)了稱作“智能型變送器”的第二代4-20mA變送器，這種變送器采用微控制器(µC)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器調(diào)理遠(yuǎn)端信號(hào)。

　　智能型變送器可以對(duì)增益和失調(diào)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)將傳感器模擬信號(hào)數(shù)字化(如RTD傳感器和熱電偶)實(shí)現(xiàn)線性化處理，用駐留在µC內(nèi)部的數(shù)學(xué)算法處理信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)，結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)電流的形式沿環(huán)路傳輸。

　　最新的第三代4-20mA變送器(圖2)被認(rèn)為是“增強(qiáng)型智能”變送器。它們?cè)黾恿伺c4-20mA信號(hào)共享雙絞線的數(shù)字通信功能。所提供的通信通道在傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)，還可傳輸控制和診斷信號(hào)。

圖2. 4-20mA增強(qiáng)型智能變送器框圖

　　智能型變送器所使用的通信標(biāo)準(zhǔn)是Hart協(xié)議，該協(xié)議基于Bell 202電話通信標(biāo)準(zhǔn)，采用頻移鍵控(FSK)方式。其數(shù)字信號(hào)1和0分別由1200Hz和2200Hz頻率表示。這些頻率的正弦波疊加在傳感器的直流模擬信號(hào)上，同時(shí)提供模擬和數(shù)字通信(圖3)。

圖3. 模擬和數(shù)字信號(hào)同時(shí)通信

　　因?yàn)镕SK信號(hào)的平均值始終為零，4-20mA模擬信號(hào)在此過(guò)程中不受影響。數(shù)字狀態(tài)每秒鐘可以轉(zhuǎn)換兩到三次，而不會(huì)妨礙模擬信號(hào)。允許的最小環(huán)路阻抗為23。

　　4-20mA增強(qiáng)型智能變送器對(duì)µC的基本要求

　　要實(shí)現(xiàn)這種4-20mA電流環(huán)路應(yīng)用，µC必須具備三種特定性能：

　　串行接口，連接用于數(shù)據(jù)采集的ADC和用于設(shè)置環(huán)路電流的DAC。

　　因?yàn)殡娏黝A(yù)算為4mA，所以要求低功耗。

　　乘法-累加單元(MAC)，既完成輸入信號(hào)的數(shù)字濾波，又同時(shí)編碼和解碼Hart協(xié)議中的兩種頻率。

　　選擇µC

　　MAXQ系列RISC µC具備上述所有必需的功能(圖4)。

圖4. MAXQ µC架構(gòu)框圖

　　模擬功能

　　MAXQ µC包含若干模擬功能。采用的時(shí)鐘管理方案只對(duì)當(dāng)前使用的模塊提供時(shí)鐘。例如，如果一條指令用到數(shù)據(jù)指針(DP)和算術(shù)邏輯單元(ALU)，那么只給這兩個(gè)模塊提供時(shí)鐘。這一技術(shù)降低了功耗和開關(guān)噪聲。

　低功耗

　　MAXQ µC具有先進(jìn)的電源管理功能，通過(guò)動(dòng)態(tài)地將µC處理速度與需要的性能水平相匹配，可使功耗降至最低。例如，工作量減少的情況下，功耗較低。要投入更多的處理能力時(shí)，µC就需要提高工作頻率。

　　軟件可選的時(shí)鐘分頻操作，允許靈活地選擇1、2、4或8個(gè)振蕩器周期作為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)這一功能，因此µC在不需要增加額外硬件成本的情況下即可進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

　　還可為那些對(duì)功耗極其敏感的應(yīng)用提供另外三種低功耗模式：

　　PMM1: 256分頻電源管理模式

　　PMM2: 32kHz電源管理模式(PMME = 1，其中PMME是系統(tǒng)時(shí)鐘控制寄存器的第2位)

　　停止模式(STOP = 1)

　　在PMM1模式下，一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期等于256個(gè)振蕩器周期，µC降速工作，從而大大降低了功耗。在PMM2模式下，器件以32kHz振蕩器作為時(shí)鐘源，工作速度更低。使能的中斷源發(fā)生中斷時(shí)，可選的時(shí)鐘返回功能可使器件快速退出電源管理模式，并返回到更快的內(nèi)部時(shí)鐘頻率上。這些使能的中斷源可以是外部中斷、UART和SPI模塊。所有這些功能使MAXQ µC的處理能力達(dá)到3MIPS/mA，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出最接近的其它處理器(圖5)。

圖5. MAXQ與其他競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的MIPS/mA性能比較。

信號(hào)濾波處理

　　MAXQ µC內(nèi)部的MAC完成4-20mA應(yīng)用所需的信號(hào)處理功能。模擬信號(hào)輸入到ADC，在數(shù)字域?yàn)V波采樣流。用以下等式可實(shí)現(xiàn)通用濾波功能：

　　y[n] = bix[n-i] + aiy[n-i]

　　式中，bi和ai分別表征系統(tǒng)的前饋和反饋?lái)憫?yīng)特性。根據(jù)ai和bi的不同取值，數(shù)字濾波器可分為有限長(zhǎng)沖激響應(yīng)型(FIR)或無(wú)限長(zhǎng)沖 激響應(yīng)型(IIR)。當(dāng)系統(tǒng)不包含反饋(所有ai = 0)時(shí)，濾波器為FIR型：

　　y[n] = bix[n-i]

　　然而，如果ai和bi都不為零，則濾波器是IIR型。

　　從上面的FIR濾波器方程可以看出，主要的數(shù)學(xué)運(yùn)算是將各輸入采樣乘以一個(gè)常數(shù)，然后將n個(gè)乘積累加。下面這段C程序可說(shuō)明該運(yùn)算：

　　y[n]=0;

　　for(i=0; i

　　y[n] += x[i] * b[i]

　　MAXQ µC的MAC需要4 + 5n個(gè)周期完成此運(yùn)算，代碼空間只有9個(gè)字(而傳統(tǒng)µC和MAC需要12個(gè)字)。

　　move DP[0], #x    ; DP[0] -> x[0]

　　move DP[1], #b    ; DP[1] -> b[0]

　　move LC[0], #loop_cnt   ; LC[0] -> number of samples

　　move MCNT, #INIT_MAC  &nbs

　　MAC_LOOP:

　　move DP[0], DP[0]    ; Activate DP[0]

　　move MA, @DP[0]++    ; Get sample into MAC

　　move DP[1], DP[1]    ; Activate DP[1]

　　move MB, @DP[1]++    ; Get coeff into MAC and multiply

　　djnz LC[0], MAC_LOOP.

　　(MAXQ架構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器訪問(wèn)細(xì)節(jié)參見(jiàn)附錄)。

　　注意：在MAXQ的MAC中，裝入第二個(gè)操作數(shù)時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行被請(qǐng)求的操作，運(yùn)算結(jié)果存入MC寄存器。還須注意：溢出前，MC寄存器寬度(40位)可以累加大量的32位乘法結(jié)果。該功能是對(duì)傳統(tǒng)方法的改進(jìn)，傳統(tǒng)方法在每次基本操作后都要驗(yàn)證是否溢出。

　　MAXQ2000 µC的獨(dú)特性能

　　低功耗、16位RISC微控制器MAXQ2000是Maxim MAXQ家族的第一個(gè)成員。它具有液晶顯示器(LCD)接口，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)100 (-RBX)或132 (-RAX)段。MAXQ2000極為適合血糖監(jiān)測(cè)應(yīng)用，并且適合任何需要高性能、低功耗工作的應(yīng)用。工作頻率最大為14MHz (VDD > 1.8V)或20MHz (VDD > 2.25V)。

　　MAXQ2000含有32k字的閃存(適合原型設(shè)計(jì)和小批量生產(chǎn))、1k字RAM、3個(gè)16位定時(shí)器，以及1或2個(gè)通用同步/異步收發(fā)器(UART)。為了靈活起見(jiàn)，微控制器內(nèi)核電源(1.8V)與I/O子系統(tǒng)電源獨(dú)立。超低功耗的休眠模式使MAXQ2000成為便攜式和電池供電設(shè)備的理想選擇。

　　MAXQ2000評(píng)估板

　　功能強(qiáng)大的MAXQ2000 µC可以利用其評(píng)估板(EV)進(jìn)行評(píng)估，該評(píng)估板提供了完整的MAXQ2000硬件開發(fā)環(huán)境(圖6)。

圖6. MAXQ2000評(píng)估板方框圖

　　MAXQ2000評(píng)估板具有下列特點(diǎn)：

　　板上MAXQ2000內(nèi)核電源和VDDIO電源。

　　可調(diào)電源(1.8V至3.6V)，可用作VDDIO或VLCD電源。

　　對(duì)應(yīng)MAXQ2000所有信號(hào)和電源的插頭引腳。

　　獨(dú)立的LCD子板連接器。

　　LCD子板，裝有3V、3.5位靜態(tài)LCD顯示器。

　　連接串行UART (端口0)的RS-232電平驅(qū)動(dòng)器，包括流量控制線。

　　外部中斷按鈕和微控制器系統(tǒng)復(fù)位按鈕。

　　MAX1407多功能ADC/DAC芯片，連接到MAXQ2000的SPI總線接口。

　　1-Wire接口和1-Wire EEPROM芯片。

　　條型LED顯示，指示端口引腳P0.7至P0.0的電平狀態(tài)。

　　JTAG接口，用于應(yīng)用程序下載和在系統(tǒng)調(diào)試。

　　因此，MAXQ2000評(píng)估板具備了構(gòu)建智能型4-20mA變送器需要的所有功能：具有真正乘法-累加單元(用于濾波和頻率編碼/解碼)的低功耗µC；轉(zhuǎn)換傳感器信號(hào)的ADC；產(chǎn)生模擬輸出信號(hào)的DAC (圖7)。加上一個(gè)低功耗Codec，如MAX1102，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)HART調(diào)制解調(diào)器。

圖7. 基于MAXQ2000 µC的4-20mA變送器

　　HART調(diào)制解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)

　　如果系統(tǒng)包含1 200Hz和2200Hz (分別代表1和0)頻率編碼器，同時(shí)要對(duì)這些頻率進(jìn)行檢測(cè)，可以采用MAC實(shí)現(xiàn)HART調(diào)制解調(diào)器要求的這些功能。

　　要產(chǎn)生所需的正弦波形，可以利用下述差分方程描述的兩極點(diǎn)濾波器形式實(shí)現(xiàn)遞歸數(shù)字式諧振器：

　　Xn = k * Xn-1 - Xn-2,

　　式中，常數(shù)k等于2 cos(2*頻率/采樣率)?？梢灶A(yù)先計(jì)算k的兩個(gè)值，并存在ROM中。例如，要用8kHz采樣率產(chǎn)生1200Hz頻率，該值為k = 2 cos(2*1200/8000)。

　　必須計(jì)算能使振蕩器開始振蕩的初始激勵(lì)。如果 Xn-1和 Xn-2都為0，接下來(lái)的每個(gè)Xn也都將為0。要啟動(dòng)振蕩器，將 Xn-1設(shè)為0， Xn-2采用如下設(shè)置：

　　Xn-2 = -A*sin[2(頻率/采樣率)]

　　在本例中，假設(shè)采用單位幅度的正弦波，該式簡(jiǎn)化為 Xn-2 = -1sin[(2(1200/8000)]。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化編碼，首先，初始化兩個(gè)中間變量(X1, X2)。X1初始化為0，X2為初始激勵(lì)值(上面的計(jì)算結(jié)果)，以啟動(dòng)振蕩器。這樣，要產(chǎn)生一個(gè)正弦波的采樣，可進(jìn)行下列運(yùn)算：

　　 X2 = X1

　　 X1 = X0

　　每個(gè)新的正弦值都需要一次乘法運(yùn)算和一次減法運(yùn)算。利用MAXQ µC的單周期硬件MAC，可以采用如下操作產(chǎn)生正弦波：

　　move DP[0], #X1    ; DP[0] -> X1

　　move MCNT, #INIT_MAC   ; Initialize MAC unit

　　move MA, #k     ; MA = k

　　move MB, @DP[0]++    ; MB = X1, MC="k"*X1, point to X2

　　move MA, #-1     ; MA = -1

　　move MB, @DP[0]--    ; MB = X2, MC="k"*X1-X2, point to X1

　　nop       ; wait for result

　　move @--DP[0], MC    ; Store result at X0.

　　因?yàn)槲覀冎恍枰獧z測(cè)兩種頻率，所以采用改進(jìn)的Goertzel算法，這種算法可以用簡(jiǎn)單的二階濾波器實(shí)現(xiàn)(圖8)。

圖8. 利用簡(jiǎn)單的二階濾波器實(shí)現(xiàn)Goertzel算法

　　要使用Goertzel算法檢測(cè)特定頻率，編譯時(shí)要首先使用下式計(jì)算出常數(shù)：

　　 k = tone frequency/sampling rate

　　 a1 = 2cos(2k)

　　隨后，將中間變量D0、D1和D2初始化為0，并對(duì)每個(gè)收到的采樣X(jué)進(jìn)行下列計(jì)算：

　　 D0 = X + a1*D1 - D2

　　 D2 = D1

　　 D1 = D0

　　得到足夠多的采樣值以后(采用8kHz采樣率時(shí)，通常為205個(gè)采樣)，用最新計(jì)算出的D1和D2值進(jìn)行下列計(jì)算：

　　 P = D12 + D22 - a1 * D1 * D2.

　　這時(shí)，P包含了輸入信號(hào)中測(cè)試頻率的平方。

　　要對(duì)兩種頻率解碼，我們用兩個(gè)濾波器處理每個(gè)采樣。每個(gè)濾波器都有自己的k值和自己的一組中間變量，每個(gè)變量都是16位長(zhǎng)，所以，整個(gè)算法需要48字節(jié)的中間存儲(chǔ)器空間。