基于HART协议的智能温度变送器设计

[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独特。整体电路结构简单、成本低廉,性价比高。
0引言
       HART是现场变送器的主要数字通讯方式之HART协议仪表广泛应用于现代工业控制系统中。在变送器中,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、功能强是仪表的主要方向。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,使得整体电路结构简单、成本低廉,性价比高
1系统整体及主要技术指标
      本仪器主要分成四部分进行: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转换器的模拟输人接口;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;MCU5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通信模块由HART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
2.1回路供电电路及4-20MA电流环
      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，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,参考源最低静态电流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
      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电阻值等于仪表最量程时热电阻阻值，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，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，省掉了仪表必须的看门狗和参数掉电防止丢失电路。
2.3HART电路
      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的影响，输人信号通过阻容隔离滤波电路直接引人芯片，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人端,完成HART通讯电路。
2.4显示与键盘控制电路
      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，使用4~20毫安电路环驱动液晶背光。
3软件
      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
      整个电路简单,充分利用了C8051F410所带资源，成本造价极低,在控制大电感电容的使用，，为后续本安提供基础。