HART协议智能变送器的数模转换(1)

HART协议智能变送器的数模转换(1)

前文，我们对HART协议智能变送器的功耗和通信系统进行了分析和讲解。这里我们继续对单片机的数模转换器和压力变送器的设计进行讲解。首先让我们看看在数模转换器方面的设计内容吧。

一、单片机及A/D转换器

1.A/D转换器为实现智能变送器的功能,在电路硬件设计上,需要1个增益可调的仪表放大器和1个分辨率至少在14位的A/D转换器,来实现对传感器信号的放大和模数转换｡这样才能达到智能变送器的高精度､自动调节量程､大量程比的设计要求｡对智能差压变送器,还需要对静压和温度进行采样,从而实现对静压和温度的补偿,提高全范围的测量精度｡这样,还需要1个多路转换器实现通道间的切换｡如果选用分立元件,必然会有相当大的功耗引入,难以满足HART协议智能变送器功耗要求｡某些大公司为兼容4~20mA的智能变送器设计了专用A/D转换器,如MAXIM公司的MAX1400和AD公司的AD7714｡其共同点是将增益可调的仪表放大器､多路转换器和A/D转换器集成在1个芯片中,功耗在几百μA左右,为实现HART协议智能变送顺提供了方便｡

MAX1400基本性能:

(1)MAX1400[1]为低功耗､多通道､带SPI同步串行口的∑/ΔA/D转换器;

(2)18位分辨率;

(3)3个全差分或5个准差分信号输入通道;

(4)可编程PGA,选定增益分别为(1,2,4,8,16,32,64或128);

(5)AIN1~AIN6可组成3个全差分输入通道,也可以组合成5个准差输入通道;

(6)2个额外的全差分系统校正通道CALOFF和CALGAIN用来作为失调和增益误差的校正;

(7)MAX1400内的2个漂移补偿缓冲器,用于隔离所选输入和PGA及调制器的电容性负载的联系｡当V+为5V供电时,MAX1400的参考输入为2.5V,模拟输入的变化范围为-Vimax~+Vimax｡Vimax=5÷(2×GAIN)｡

2.单片机为实现高性能､微功耗的智能变送器控制电路,单片机选用PIC16C73[7]｡它具有功耗低､运行速度快､功耗强等特点｡采用长字节指令,所有指令均为单字长,除跳转为双周期指令均为单周期(4个时钟周期)指令｡内含看门狗､8级硬件堆栈､192×8RAM､32上定时器､2个捕捉器､5路8位A/D转换器､SPI/I2共用的同步串行口､1个异步发送/接收串口USART､多种中断功能,包括B口RB4~RB7输入电平变化中断｡ 

二、基于HART协议智能压力/差压变送器的设计

电路所用集成电路为上面所提及的,其特点为:集成度高､性/价比好､功耗低､功能强｡片间的数据通信采用MOTOROLA公司推出的同步串行外围接口SPI(Serial PeripheralInterface),同优点是占用MCU资源小,可根据系统的大小随着扩充｡在实际应用中,单片机可方便地与带SPI接口的集成电路芯片如A/D､D/A､数据存储器等连接｡由于单片机PIC16C73带有SPI串行总线硬件接口,使数据通信速度更高,使用更灵活｡

1.电路说明

A/D转换器MAX1400的2个全差分通道AIN1､AIN2和AIN3､AIN4分别对差压传感器TRS1､静压传感器TRS2进行厝数转换｡AIN5和AIN6组成准差分输入通道对TRS1的恒流输入进行监测｡传感器均为半导体压阻传感器,压阻传感器的特点是它的每个桥臂电阻都比较大,一般为2kΩ,以下均假设它们的桥臂电阻值为2kΩ｡采用恒流供电,可以进一步减小传感器的非线性和温度对传感器输出灵敏度的影响｡实验得知,压力和差压传感器的等效电阻值在全温度范围内(0~70℃)的变化量是全量程内压力或差压所引起的等效电阻值变化的100倍左右,因此,AIN5所测得的A/D值可以对整个变送器进行温度补偿｡为提高变送器的测量精度,须对静压给差压带来的误差进行补偿,所以电路中设计了全差分通道AIN3､AIN4对静压传感器TRS2进行监测,从而可实现对静压的补偿｡

HART通信模块由HT2012和波形整形电路及带通滤波器组成｡整形电阻由74HC126(4个三态输出缓冲器)组成,并能通过2个750Ω电阻及2.2μF的耦合电容,将整形后的HT2012发出的电压信号输入到AD421的开关电流源和滤波器功能块中,可实现HART电压信号由±0.5mA电流信号的转换｡带通滤波器由2个运算放大器及电阻､电容组成｡它将4~20mA环路上的±0.5mAHART电流信号转换为HART电压信号,经HT2012解调,再送入单片机串行通信接口中,从而完成数据的接收任务｡