基于MAXQ微控制器構(gòu)建增強型智能4-20mA變送器

摘要：4-20mA電流環(huán)路是工業(yè)過程監(jiān)控應(yīng)用中發(fā)送傳感器信息時常用的技術(shù)。(傳感器測量溫度、壓力、速度和液體流量等物理參數(shù))。電流環(huán)路信號對噪聲很不敏感，并且可采用遠(yuǎn)端電源電壓供電。當(dāng)信息必須長距離傳輸?shù)竭h(yuǎn)處時，電流環(huán)路特別有用。

簡單的環(huán)路工作

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)動電壓-電流轉(zhuǎn)換器，其他三個部分串聯(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變送器包括一個安裝在現(xiàn)場的器件，該器件感測物理參數(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。

智能型變送器可以對增益和失調(diào)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過將傳感器模擬信號數(shù)字化(如RTD傳感器和熱電偶)實現(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，再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬信號，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“增強型智能”變送器。它們增加了與4-20mA信號共享雙絞線的數(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，還可傳輸控制和診斷信號。

圖2. 4-20mA增強型智能變送器框圖

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上，同時提供模擬和數(shù)字通信(圖3)。

圖3. 模擬和數(shù)字信號同時通信

因為FSK信號的平均值始終為零，4-20mA模擬信號在此過程中不受影響。數(shù)字狀態(tài)每秒鐘可以轉(zhuǎn)換兩到三次，而不會妨礙模擬信號。允許的最小環(huán)路阻抗為23。

4-20mA增強型智能變送器對μC的基本要求

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

1. 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。
2. 因為電流預(yù)算為4mA，所以要求低功耗。
3. 乘法-累加單元(MAC)，既完成輸入信號的數(shù)字濾波，又同時編碼和解碼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

1. 模擬功能
   MAXQ μC包含若干模擬功能。采用的時鐘管理方案只對當(dāng)前使用的模塊提供時鐘。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)，那么只給這兩個模塊提供時鐘。這一技術(shù)降低了功耗和開關(guān)噪聲。
2. 低功耗
   MAXQ μC具有先進(jìn)的電源管理功能，通過動態(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，μC就需要提高工作頻率。

   軟件可選的時鐘分頻操作，允許靈活地選擇1、2、4或8個振蕩器周期作為一個系統(tǒng)時鐘周期。通過軟件實現(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)時鐘控制寄存器的第2位)
   • 停止模式(STOP = 1)

   在PMM1模式下，一個系統(tǒng)時鐘周期等于256個振蕩器周期，μC降速工作，從而大大降低了功耗。在PMM2模式下，器件以32kHz振蕩器作為時鐘源，工作速度更低。使能的中斷源發(fā)生中斷時，可選的時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與其他競爭產(chǎn)品的MIPS/mA性能比較。
   

3. 信號濾波處理
   MAXQ μC內(nèi)部的MAC完成4-20mA應(yīng)用所需的信號處理功能。模擬信號輸入到ADC，在數(shù)字域濾波采樣流。用以下等式可實現(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)的前饋和反饋響應(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沖激響應(yīng)型(FIR)或無限長沖激響應(yīng)型(IIR)。當(dāng)系統(tǒng)不包含反饋(所有ai = 0)時，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)運算是將各輸入采樣乘以一個常數(shù)，然后將n個乘積累加。下面這段C程序可說明該運算：

   y[n]=0;
   for(i=0; iMAXQ μC的MAC需要4 + 5n個周期完成此運算，代碼空間只有9個字(而傳統(tǒng)μC和MAC需要12個字)。 
   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 		; Initialize MAC unit
   
   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)存儲器訪問細(xì)節(jié)參見附錄)。 
   注意：在MAXQ的MAC中，裝入第二個操作數(shù)時，自動執(zhí)行被請求的操作，運算結(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證是否溢出。 
   
   

MAXQ2000 μC的獨特性能

低功耗、16位RISC微控制器MAXQ2000是Maxim MAXQ家族的第一個成員。它具有液晶顯示器(LCD)接口，可驅(qū)動多達(dá)100 (-RBX)或132 (-RAX)段。MAXQ2000極為適合血糖監(jiān)測應(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)計和小批量生產(chǎn))、1k字RAM、3個16位定時器，以及1或2個通用同步/異步收發(fā)器(UART)。為了靈活起見，微控制器內(nèi)核電源(1.8V)與I/O子系統(tǒng)電源獨立。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評估板
功能強大的MAXQ2000 μC可以利用其評估板(EV)進(jìn)行評估，該評估板提供了完整的MAXQ2000硬件開發(fā)環(huán)境(圖6)。

圖6. MAXQ2000評估板方框圖

MAXQ2000評估板具有下列特點：

• 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。
• 對應(yīng)MAXQ2000所有信號和電源的插頭引腳。
• 獨立的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)換傳感器信號的ADC；產(chǎn)生模擬輸出信號的DAC (圖7)。加上一個低功耗Codec，如MAX1102，就可以實現(xiàn)一個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)器的實現(xiàn)

如果系統(tǒng)包含1200Hz和2200Hz (分別代表1和0)頻率編碼器，同時要對這些頻率進(jìn)行檢測，可以采用MAC實現(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濾波器形式實現(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)。可以預(yù)先計算k的兩個值，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)。

必須計算能使振蕩器開始振蕩的初始激勵。如果 Xn-1和 Xn-2都為0，接下來的每個Xn也都將為0。要啟動振蕩器，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，該式簡化為 Xn-2 = -1sin[(2(1200/8000)]。為進(jìn)一步簡化編碼，首先，初始化兩個中間變量(X1, X2)。X1初始化為0，X2為初始激勵值(上面的計算結(jié)果)，以啟動振蕩器。這樣，要產(chǎn)生一個正弦波的采樣，可進(jìn)行下列運算：

	X0 = kX1 - X2
	X2 = X1
	X1 = X0

每個新的正弦值都需要一次乘法運算和一次減法運算。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.

因為我們只需要檢測兩種頻率，所以采用改進(jìn)的Goertzel算法，這種算法可以用簡單的二階濾波器實現(xiàn)(圖8)。

圖8. 利用簡單的二階濾波器實現(xiàn)Goertzel算法

要使用Goertzel算法檢測特定頻率，編譯時要首先使用下式計算出常數(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，并對每個收到的采樣X進(jìn)行下列計算：

	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，通常為205個采樣)，用最新計算出的D1和D2值進(jìn)行下列計算：

	P = D12 + D22 - a1 * D1 * D2.

這時，P包含了輸入信號中測試頻率的平方。

要對兩種頻率解碼，我們用兩個濾波器處理每個采樣。每個濾波器都有自己的k值和自己的一組中間變量，每個變量都是16位長，所以，整個算法需要48字節(jié)的中間存儲器空間。

附錄. 訪問MAXQ系列的數(shù)據(jù)存儲器

可以通過數(shù)據(jù)指針寄存器DP[0]和DP[1]，或者通過幀指針BP(偏移量)訪問數(shù)據(jù)存儲器。當(dāng)其中一個寄存器被設(shè)置為數(shù)據(jù)存儲器的某個位置后，可以使用助記符@DP[0]、@DP[1]或@BP[OFFS]作為源或目標(biāo)，來讀寫訪問該存儲器位置。

move DP[0], #0000h 			; set pointer to location 0000h
move A[0], @DP[0] 			; read from data memory
move @DP[0], #55h 			; write to data memory

進(jìn)行一次讀操作后，兩個數(shù)據(jù)指針中的任何一個都可以在操作完成后自動遞增或遞減。此外，任何一個數(shù)據(jù)指針都可以在寫操作之前預(yù)先遞增或遞減。使用下列語法規(guī)則：

move A[0], @DP[0]++			; increment DP[0] after read
move @++DP[0], A[1]			; increment DP[0] before write
move A[5], @DP[1]-- 		; decrement DP[1] after read
move @--DP[1], #00h 		; decrement DP[1] before write

因為三個指針共享一個數(shù)據(jù)存儲器讀/寫口，所以用戶要使用特定指針進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲器讀操作前，必須有意識地激活該指針。如下所示，這可以通過使用數(shù)據(jù)指針選擇位(SDPS1:0；DPC.1:0)直接實現(xiàn)，或者通過寫DP[n]、BP或OFFS寄存器間接實現(xiàn)。

使用數(shù)據(jù)指針進(jìn)行間接存儲器寫操作時會設(shè)置SDPS位，這隨后將激活寫指針，作為活動源指針。

move DPC, #2 		; (explicit) selection of FP as the pointer
move DP[1], DP[1] 	; (implicit) selection of DP[1]; set SDPS1:0=01b
move OFFS, src 	; (implicit) selection of FP; set SDPS1=1
move @DP[0], src 	; (implicit) selection of DP[0]; set SDPS1:0=00b

一旦指針選定后，在發(fā)生下列事件之前該指針一直有效：

• 源數(shù)據(jù)指針選擇位通過上述直接或間接方法改變(即選用另一個數(shù)據(jù)指針)，或者
• 活動源數(shù)據(jù)指針?biāo)鶎ぶ返拇鎯ζ鞅皇鼓苡糜谔崛〈a，這是使用指令指針實現(xiàn)的，或者
• 使用一個當(dāng)前活動源指針之外的另一個數(shù)據(jù)指針進(jìn)行存儲器寫操作。

move DP[1], DP[1] 		; select DP[1] as the active pointer
move dst, @DP[1] 		; read from pointer
move @DP[1], src 		; write using a data pointer
					; DP[0] is needed
move DP[0], DP[0]		; select DP[0] as the active pointer

為簡化數(shù)據(jù)指針的遞增/遞減操作，同時不影響寄存器數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)模塊6內(nèi)的7號寄存器指定為虛擬的NUL目標(biāo)，用作位存儲桶。數(shù)據(jù)指針遞增/遞減操作可以通過如下操作完成，而不會改變?nèi)魏纹渌拇嫫鞯膬?nèi)容：

move NUL, @DP[0]++ 		; increment DP[0]
move NUL, @DP[0]-- 		; decrement DP[0]