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基于HART协议的智能温度变送器设计
发布日期：2020-01-03 13:50:50 来源： 作者： 浏览次数：
【导读】：【摘要】 根据石油化工厂的实际需要，研制了一种支持HART协议的智能型温度变送器，采用高性能单片计算机C8051F410和HART调制解调芯片作为核心部件；供电电路与信号调理电路设计独特。整体电路结构简单、成本低廉，性价比高。......
【摘要】 根据石油化工厂的实际需要，研制了一种支持HART协议的智能型温度变送器，采用高性能单片计算机C8051F410和HART调制解调芯片作为核心部件；供电电路与信号调理电路设计独特。整体电路结构简单、成本低廉，性价比高。
引言
HART是现场变送器的主要数字通讯方式之一，HART协议仪表广泛应用于现代工业控制系统中。在变送器的设计中，由于其功能所制约，既要在3.5毫安以下解决仪表供电问题，同时还要进行二线制变送、信号调理、运算和就地显示；使用环境因素限制了电路体积，本安防爆限制整个电路内能量累计，室外工作要求电路要能工作在天气极限高低温条件下，因此整体变送器电路结构复杂。随着电子技术和计算机技术的发展，低功耗、高性能、宽温芯片的出现，使得变送器的设计相对简单了许多，成本也降低了很多。智能化、低成本、功能强是仪表设计的主要方向。本设计采用高性能单片计算机C8051F410和HART调制解调芯片，加上独特的供电电路与信号调理电路设计，使得整体电路结构简单、成本低廉，性价比高。
1 系统整体设计及主要技术指标
本仪器主要分成四部分进行设计：回路供电及4-20MA电流环输出；信号调理及单片机的运算输出；HART通讯；显示与参数设置。整体电路如图1所示。
供电电路提供工作电流3.5毫安、工作电压3.3V的恒压、恒流，为变送器所有电路提供电源。热电阻信号调理部分向传感器提供恒流激励，并且将传感器的输出电压经适当的滤波后引入到A/D转换器的模拟输入接口；A/D转换部分对传感器输
出的信号放大后,转换为数字量供MCU使用;MCU对电压信号进行线性化和补偿处理，得到待测量的温度值。
HART通信�？橛蒆ART调制解调器和D/A转换器及外围电路组成，D/A输出部分完成电压到环路电流的转换，将MCU输出的数字量转换成相应的4～20mA电流信号；HART调制解调器接收叠加在4～20mA电流+-0.5mA调制信号，将检测到的FSK数字信号解调，通过串口通信传给MCU，MCU产生的应答帧数字信号通过HART调制解调器调制成FSK频移键控信号，叠加在4～20mA电流信号上发送出去。
参数显示与设置部分由段式液晶显示器和微动按键组成,用于变送器参数和显示设置。
主要技术指标如下：
供电电压：9～32VDC。
使用环境温度：-40～85度。
仪器全量程精度：0.5级。
2 硬件设计
2.1 回路供电电路及4-20MA电流环设计
为了完成智能变送器工作电压9～32VDC供电与工作电流3.5-22Ma要求，电源设计使用微功耗OPA244运算放大器，放大器允许工作电压高达36V，功耗只有35微安运放，配合并联型参考源，设计出一个提供工作电流3.5毫安、工作电压3.3V的恒压、恒流电路，为变送器所有电路提供电源，保证变送器自身工作电流变化不会影响变送器电流输出。
由于运放本身静态功耗35UA，反馈电流耗掉33UA，参考源非常低静态电流10UA，因此实际能给变送器其他部分提供的电流为3.4MA，如果变送器其他部分使用电流小于3.4MA，多余电流通过参考源流出，如果电流大于3.4Ma，电路失效，因此，所有变送器其他电路设计要保证总电流小于3.4毫安，变送器输出的与传感器信号相对应的电流信号由单片机DA输出控制TLV2252、T31、T32组成的恒流输出电路实现，为了保证仪表输出精度，电流输出驱动部分采用达林顿结构，电流放大倍数达万倍以上，忽略由于基极电流流出对仪表输出精度的影响。
2.2信号调理及单片机电路设计
热电阻信号调理部分使用TLV2252低供耗轨到轨运算放大器，差动放大电路解决了热电阻导线引线电阻对热电阻测量温度的影响，为了尽可能提高后续单片机内AD转换器使用效率，在电路中添加了去零点电阻R19，让R19电阻值等于仪表非常小量程时热电阻阻值，这样，放大器电压输出只和温度变化对热电阻阻值变化相关，提高了AD转换器使用效率，V=KI（RT-R19），热电阻激励恒流源有C8051F410提供，C8051F410能提供0.25、0.5、1、2毫安多量程恒流源，为了减少功耗，选用0.5毫安做热电阻激励恒流源。C8051F410单片机工作在内部时钟191406点上，也是C8051F410上电约定工作频率点，在此点工作频率下，不开外设，耗电200UA，开设AD和0.5和0.25毫安两路DA，整体电流供耗小于2毫安。
由于恒流源由C8051F410单片机提供，恒流大小可变，在实际使用中可根据实际情况自动调整恒流大小，使调理电路输出和AD转换输入量程相匹配，提高AD转换效率，AD转化器转化速度为200KPS，使用过采样技术可适当提高AD转换精度，本设计内部过采样时AD转换精度达到13位稳定输出。为了补偿仪表受温度的影响，使用单片机内部自带温度传感器对仪表整体做温度补偿。单片机内带看门狗电路、内带可再线编程FALSH，省掉了仪表设计必须的看门狗和参数掉电防止丢失电路。
2.3HART电路设计
HART协议通讯电路使用MAXIM公司的DS8500芯片，极低的微安及功耗使其可以忽略功耗对整体电路设计的影响，输入信号通过阻容隔离滤波电路直接引入芯片，输出部分通过阻容隔直及阻抗匹配耦合到电流输出电路输入端，完成HART通讯电路设计。
2.4显示与键盘控制电路设计
显示电路使用HT1621控制器，控制段式液晶显示器，为了使变送器在没有HATR手持编程器时能够对变送器设置，在前面板增装了3个微动按键，用来设置参数，液晶显示电路耗电约500微安,为了方便变送器夜间使用，液晶显示使用了背光，考虑到耗能要求，本设计使用4～20毫安电路环驱动液晶背光。
3 软件设计
软件主要完成如下几个方面操作：数据采集、存储、运算，信号的自校准运算、HART通讯协议、变送输出、液晶显示及键盘操作等内容，程序框图见图2。
4 结束语
整个电路设计简单，充分利用了C8051F410所带资源，成本造价极低，在设计中控制大电感电容的使用，为后续本安设计提供基础。
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