基于HART協(xié)議的高精度溫度控制器設(shè)計(jì)

基于HART協(xié)議的高精度溫度控制器設(shè)計(jì)

? 1 引言

　　隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)） 的發(fā)展需要，促使以現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)為總體標(biāo)志的現(xiàn)場總線的技術(shù)產(chǎn)生，并且迅速發(fā)展，推動(dòng) 著控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及自動(dòng)化儀表邁進(jìn)到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和總線化儀表的一代。本文將微處理 技術(shù)和HART 協(xié)議通信技術(shù)引入溫度控制器中，實(shí)現(xiàn)了高精度、多功能的可編程兩線制 HART 協(xié)議的高精度溫度控制器。

　　2 溫度控制器的硬件原理概述

　　基于HART 協(xié)議的高精度溫度控制器的電路原理框圖，如圖1。連接HART 協(xié)議溫度 控制器的兩條線既是電源線又是4～20mA 輸出（控制）信號線和HART 信號線，對HART 協(xié)議溫度控制器供電的電流被限制在4mA 以下（報(bào)警情況為3.6mA），4mA 以上部分為信 號。

　　采用AD 公司生產(chǎn)AD421 實(shí)現(xiàn)A/D、V/I 功能，AD421 是一款低功耗多功能芯片，其內(nèi)部集成有16 位A/D 及V/I 和電壓調(diào)整電路。DC/DC 是采用開關(guān)電源原理設(shè)計(jì)的電源隔離 器，通過DC/DC 給基于HART 協(xié)議的溫度控制器信號輸入和A/D 電路供電。使用低驅(qū)動(dòng)電 流的光電隔離器作信號隔離，實(shí)現(xiàn)HART 協(xié)議溫度控制器傳感器小信號輸入與輸出信號和 外部電源隔離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫度控制器的低電流消耗要求。

　　電路工作原理是:溫度傳感器信號經(jīng)濾波送AD7714 放大并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，經(jīng) 光耦HP4731 隔離后送入CPU，由CPU 進(jìn)行線性化及校正處理后送AD421 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的 4-20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流輸出。另外,環(huán)路上的數(shù)字通信信號經(jīng)濾波后送入解調(diào)器HT2012，解調(diào)信 號通過串行口送入CPU。然后CPU 送出相應(yīng)的應(yīng)答信號到HT2012 調(diào)制成HART 數(shù)字信號， 經(jīng)整形后控制V/I 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，并疊加到4-20mA 直流信號上。

　　3 硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　3.1 信號隔離及光耦外圍參數(shù)確定

　　A/D 轉(zhuǎn)換器與CPU 信息交換采用光耦隔離。

　　1) 光耦外圍參數(shù)確定見圖2，以R18、R20 計(jì)算為例，由于光耦最小驅(qū)動(dòng)電流IF=40μA,所以按式(1), (2)求解。

　　考慮最壞情況及余量取R18=62KΩ,同理取R17=62KΩ。

　　R15, R16, R21, R22 的計(jì)算類似，在次不作敘述。

　　2) 脈寬展寬電路如圖3。

　　圖3 脈寬展寬電路及波形

　　由于AD7714 數(shù)據(jù)更新完成后,其DRDY 線要送一個(gè)觸發(fā)高脈沖,其寬度為203.5μs,而光 耦最小響應(yīng)脈寬為500μs,因而必須設(shè)置脈寬展寬電路。原理分析，設(shè)原始狀態(tài)時(shí)，圖中a、 c 和d 點(diǎn)為邏輯低電平；b、e 為高電平，當(dāng)VI 脈沖到來時(shí)，b 點(diǎn)跳到2VCC，隨后放電至 VCC，c、d、e 點(diǎn)不變。當(dāng)VI 負(fù)跳變沿到來時(shí)，b、c、d、e 各點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，然后C21 開始放電， 當(dāng)d 點(diǎn)電位降到反相器轉(zhuǎn)換電壓值時(shí)，反相器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，e 點(diǎn)變?yōu)楦唠娖?，并對C13 充電， 當(dāng)b 點(diǎn)電位升到反相器轉(zhuǎn)換電壓值時(shí)，反相器狀態(tài)轉(zhuǎn)換,C 點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?，從C 點(diǎn)引出穩(wěn)態(tài) 脈沖。

　　由于AD7714 的DRDY 高脈沖寬度為500×tCLKIN=203.5μs, 所以T3 應(yīng)小于 203.5μs,T3=-R14C13ln0.5 取R14=200KΩ 求得C13<1.5nf, T2=-R14C13ln0.33=113μs T1=-R13C21ln0.33=TW-T2,因光耦最小響應(yīng)脈寬為500μs 考慮余量取TW=2.3ms R13 取200KΩ 解得C21=0.00978μf,取C21=0.01μf。

　　3.2 信號輸入電路設(shè)計(jì)

　　信號輸入部分單偶、雙偶、雙阻、兩線制熱阻、三線制熱阻、四線制熱阻的連接，由高 頻旁路穿心電容、恒流源、低通濾波網(wǎng)絡(luò)（R1-R6、C3-C8）等組成。穿心電容用于衰減串 入信號線的高頻信號，考慮信號線對地的絕緣強(qiáng)度，選用100P/500V 穿心電容。低通濾波 網(wǎng)絡(luò)采用RC 濾波，考慮AD7714 輸入阻抗要求，R 選用1.1K、C 選用0.1μf。R9、R10 用 作傳感器斷線檢測，電阻阻值為22MΩ。輸入電路還考慮了檢測電阻信號時(shí)引線電阻補(bǔ)償 計(jì)算。

　　3.3 通信信號濾波電路

　　通信信號濾波電路如圖4。濾波電路由高通和低通濾波器組成帶通濾波器，考慮到HART 通信信號包含上下半波，為了不引起信號失真，將直流工作點(diǎn)設(shè)在Vcc/2 上。由C33、C34、 R24、R27 及D2C 組成二階高通濾波器，設(shè)C33=C34=C,R24=R27=RZE 則其傳遞函數(shù)為(3) 式。

　　取(4)分母字模等于v2 可求得截止頻率為0.37/2πRC,根據(jù)HART 信號特點(diǎn),高通截止頻率一般 取600Hz。由R22、R23、C30 和D2B 組成一階低通濾波器，設(shè)C22=R、C30=C，則其截止 頻率為1/2πRC,HART 通信中一般取2500Hz。

　根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，基于HART 協(xié)議的溫度控制器應(yīng)是本質(zhì)安全的，所以電路中所有 大的儲能元件上都應(yīng)加限壓或限流保護(hù)元件，以達(dá)到本安指標(biāo)要求。在可靠性設(shè)計(jì)方面重點(diǎn) 采用了降額設(shè)計(jì)技術(shù),使大多數(shù)元器件的實(shí)際工作應(yīng)力都≤0.1。

　　4 基于HART 協(xié)議的溫度控制器的軟件實(shí)現(xiàn)

　　溫度控制器軟件的開發(fā)是建立在對 HART 協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層研究基礎(chǔ)上，并結(jié) 合溫度控制器自身功能的要求以及硬件電路的連接進(jìn)行的。實(shí)現(xiàn)溫度控制器，除考慮硬件設(shè) 計(jì)外，軟件設(shè)計(jì)是另一重要方面，根據(jù)溫度控制器的功能要求和技術(shù)指標(biāo)，軟件設(shè)計(jì)的主要 內(nèi)容有：

　　a、根據(jù)HART 協(xié)議規(guī)范，完成從設(shè)備數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及層間接口程序?qū)崿F(xiàn)HART 通信鏈路連接，鏈路仲裁，信號接收、識別、響應(yīng)和發(fā)送。

　　b、要考慮信號采集補(bǔ)償、線性化處理和輸出。

　　c、根據(jù)器件接口完成接口程序。

　　d、實(shí)現(xiàn)故障識別和報(bào)警、本地調(diào)試和顯示。

　　軟件工作原理如圖5 所示，主要分為三個(gè)部分，一部分是信號的采集和輸出；一部分是 HART 通信信號到來，進(jìn)入中斷，識別和響應(yīng)通信信號，包含數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和層間接 口等部分程序；另一部分是當(dāng)有按鍵按下，進(jìn)行本地參數(shù)組態(tài)。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn):

　　基于HART 協(xié)議的高精度溫度控制器，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場儀表或智能現(xiàn)場儀表相比，在功 能上發(fā)生了飛躍，即增加了雙向數(shù)字通信的功能，使溫度控制器以其眾多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)過程 控制系統(tǒng)、儀表管理系統(tǒng)以及這兩個(gè)系統(tǒng)并存的網(wǎng)絡(luò)中，有著良好的應(yīng)用前景。