HART协议智能变送器的数模转换(1)(2)

AD421除完成4~20mA电流信号输出及HART通信外,还为系统提供电源及参考电压｡它的2.5V参考电压供自己和MAX1400使用｡数据存储器选用24LC65,为8KB的串行E2PROM,供电电压2.5~5.5V,功耗:读电流150μA;写电流3mA(5V供电)｡用来存放传感器特性参数及现场组态命令､工作参数､通信数据｡

HT2012的19.2kHz信号,送入PIC16C73的计数器输入端,用于检测HT2012的工作情况｡

HT2012的OCD信号,送入PIC16C73的RB7端｡RB7设为中断方式,用于检测通信状态｡

2.功耗及电流分配

AD421由4~20mA环路主电源供电,转换的5V电源为自己和24LC65及MAX1400的模拟电路部分供电,设计时须留下功耗余量｡AD421工作电流为600μA,24LC65读电流为10μA,MAX1400的模拟电路工作电流不超过100μA,而变送器功耗设计为3.4mA,剩下2.5mA电流供电路其他器件使用｡具体分配如下:传感器由恒流二极管3CRC供电0.5mA,剩下2.0mA电流由另一支3CRC恒流后供电路的其他部分使用｡这样可避免由于器件在动态和静态工作时功耗的不同而引起4~20mA信号的变化(尽管实验证明这个变化是很小的)｡

3CRC恒流原理是:其内部提供一稳定的1.24V从两管脚引出,在这两管脚上接1个电阻即可中输出恒流｡计算公式为:I(mA)=1.24/R(kΩ)｡只要保证3CRC的工作电压略大于1.24V即可正常工作｡稳压管选用ZRC330｡它的稳压值为3.3V,最小工作电流为20μA,最大吸收电流达5mA,温度系数50ppm是比较理想的器件｡MAX1400的工作电流值小于150μA(3.3V供电),HT2012的功耗电流40μA,带通滤波器选用运放TLC27L2C,最大功耗电流仅为48μA｡整形电路的74HC126工作于低频下最大电流500μA左右,剩下1.25mA电流供单片机消耗｡单片机PIC16C73的功耗在4MHz时钟､Vdd=3V时,为2.0mA;而在4MHz和20MHz时钟､VDD=5V下工作时,电流值分别为2.7mA和13.5mA｡可见适当降低单片机工作频率可使其功耗大幅度下降｡由于PIC16C73除跳转指令外,均为单字节指令,指令周期仅为4个时钟周期同,其运行速度比其他类型的单片机快,适当降低工作频率其运行速度仍远远满足变送器实时要求｡本设计单片机采用1MHz工作频率,其功耗的实验数据小于1mA｡

HT2012工作主时钟为特殊的460.8kHz,需要特或向SMAR公司索取｡本电路采用1片PIC16C58A[7]单片机,外接1.8432MHz晶振,经单片机4分频后,正好输出460.8kHz的时钟,直接供HT2012使用｡PIC16C58A单片机是PIC系列单片机中的低挡产品,功耗与PIC16C73相当｡由于电路由增加了1片单片机,整个电路的功耗将超出允许范围｡为保证功耗要求,电路设计采用能量分时复用的方法:程序通过V1､V2､V3实现传感器和PIC16C58A的分时复用,即变送器在做A/D转换时,系统给传感器供电,当需要检测通信有无或主动进行通信时,单片机将给传感器的0.5mA关断,而将电流并入3.3V工作电源上,同时启动PIC16C58A｡PIC16C58A的功耗指标为32kHz时钟,VDD=3V时典型值小于15μA｡由于对PIC16C58A的某一I/O口(如RB)进行置高､置低操作,所以不怕程序"跑飞",因此不需PIC16C58A片内的WDT功能,将它置于OFF状态,功耗大大降低｡因此,PIC16C58A在1.8432MHz的时钟下工作,其功耗不会超过0.5mA｡对数据存储器24LC65的功耗:读电流150μA,没有功耗问题;而写电流3mA,一般出现在数据通信完成之后的很短时间内,只要规定在通信时4~20mA电流信号作废,即可解决功耗要求问题｡24LC65一定要接在4~20mA主电源中｡从以上分析,电路功耗小于3.4mA的智能变送器,满足要求｡

三、结束语

本文从智能变送器的基础功能出发,针对HART协议智能变送器的数据通信和功耗要求的特点,在大量实验的基础上,设计了智能压力/差压变送器应用电路,其中MAX1400､AD421､HT2012均通过了程序调试｡在本电路中只用1只压力传感器,它就是压力变送器｡如将压力传感器换为温度传感器主,就是HART协议智能温度变送器｡由于水平的原因,文章中必然存在许多有待改进之处｡希望本文的研究能对智能变送器的开发提供有益的帮助｡