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1 引言 隨著(zhù)控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及CIMS（計算機集成制造系統） 的發(fā)展需要，促使以現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為總體標志的現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)產(chǎn)生，并且迅速發(fā)展，推動(dòng) 著(zhù)控制系統結構及自動(dòng)化儀表邁進(jìn)到現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統和總線(xiàn)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)現了高精度、多功能的可編程兩線(xiàn)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(xiàn)既是電源線(xiàn)又是4～20mA 輸出（控制）信號線(xiàn)和HART 信號線(xiàn)，對HART 協(xié)議溫度控制器供電的電流被限制在4mA 以下（報警情況為3.6mA），4mA 以上部分為信 號。 采用AD 公司生產(chǎn)AD421 實(shí)現A/D、V/I 功能，AD421 是一款低功耗多功能芯片，其內部集成有16 位A/D 及V/I 和電壓調整電路。DC/DC 是采用開(kāi)關(guān)電源原理設計的電源隔離 器，通過(guò)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。使用低驅動(dòng)電 流的光電隔離器作信號隔離，實(shí)現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 放大并轉換為相應的數字信號，經(jīng) 光耦HP4731 隔離后送入CPU，由CPU 進(jìn)行線(xiàn)性化及校正處理后送AD421 轉換為相應的 4-20mA 標準電流輸出。另外,環(huán)路上的數字通信信號經(jīng)濾波后送入解調器HT2012，解調信 號通過(guò)串行口送入CPU。然后CPU 送出相應的應答信號到HT2012 調制成HART 數字信號， 經(jīng)整形后控制V/I 轉換電路轉換成相應的數字信號，并疊加到4-20mA 直流信號上。 3 硬件電路詳細設計 3.1 信號隔離及光耦外圍參數確定 A/D 轉換器與CPU 信息交換采用光耦隔離。 1) 光耦外圍參數確定見(jiàn)圖2，以R18、R20 計算為例，由于光耦最小驅動(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 的計算類(lèi)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A(yíng)D7714 數據更新完成后,其DRDY 線(xiàn)要送一個(gè)觸發(fā)高脈沖,其寬度為203.5μs,而光 耦最小響應脈寬為500μs,因而必須設置脈寬展寬電路。原理分析，設原始狀態(tài)時(shí)，圖中a、 c 和d 點(diǎn)為邏輯低電平；b、e 為高電平，當VI 脈沖到來(lái)時(shí)，b 點(diǎn)跳到2VCC，隨后放電至 VCC，c、d、e 點(diǎn)不變。當VI 負跳變沿到來(lái)時(shí)，b、c、d、e 各點(diǎn)翻轉，然后C21 開(kāi)始放電， 當d 點(diǎn)電位降到反相器轉換電壓值時(shí)，反相器狀態(tài)轉換，e 點(diǎn)變?yōu)楦唠娖�，并對C13 充電， 當b 點(diǎn)電位升到反相器轉換電壓值時(shí)，反相器狀態(tài)轉換,C 點(diǎn)變?yōu)榈碗娖�，從C 點(diǎn)引出穩態(tài) 脈沖。 由于A(yíng)D7714 的DRDY 高脈沖寬度為500×tCLKIN=203.5μs, 所以T3 應小于 203.5μs,T3=-R14C13ln0.5 取R14=200KΩ 求得C133.2 信號輸入電路設計 信號輸入部分單偶、雙偶、雙阻、兩線(xiàn)制熱阻、三線(xiàn)制熱阻、四線(xiàn)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(xiàn)的高頻信號，考慮信號線(xiàn)對地的絕緣強度，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(xiàn)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(xiàn)電阻補償 計算。 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)設在Vcc/2 上。由C33、C34、 R24、R27 及D2C 組成二階高通濾波器，設C33=C34=C,R24=R27=RZE 則其傳遞函數為(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C22=R、C30=C，則其截止 頻率為1/2πRC,HART 通信中一般取2500Hz。 圖4 通信信號濾波電路 根據技術(shù)指標要求，基于HART 協(xié)議的溫度控制器應是本質(zhì)安全的，所以電路中所有 大的儲能元件上都應加限壓或限流保護元件，以達到本安指標要求。在可靠性設計方面重點(diǎn) 采用了降額設計技術(shù),使大多數元器件的實(shí)際工作應力都≤0.1。 4 基于HART 協(xié)議的溫度控制器的軟件實(shí)現 溫度控制器軟件的開(kāi)發(fā)是建立在對 HART 協(xié)議數據鏈路層、應用層研究基礎上，并結 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)現溫度控制器，除考慮硬件設 計外，軟件設計是另一重要方面，根據溫度控制器的功能要求和技術(shù)指標，軟件設計的主要 內容有： a、根據HART 協(xié)議規范，完成從設備數據鏈路層、應用層以及層間接口程序實(shí)現HART 通信鏈路連接，鏈路仲裁，信號接收、識別、響應和發(fā)送。 b、要考慮信號采集補償、線(xiàn)性化處理和輸出。 c、根據器件接口完成接口程序。 d、實(shí)現故障識別和報警、本地調試和顯示。 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(lái)，進(jìn)入中斷，識別和響應通信信號，包含數據鏈路層、應用層和層間接 口等部分程序；另一部分是當有按鍵按下，進(jìn)行本地參數組態(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，與傳統的現場(chǎng)儀表或智能現場(chǎng)儀表相比，在功 能上發(fā)生了飛躍，即增加了雙向數字通信的功能，使溫度控制器以其眾多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)過(guò)程 控制系統、儀表管理系統以及這兩個(gè)系統并存的網(wǎng)絡(luò )中，有著(zhù)良好的應用前景。 |
