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(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)為總體標(biāo)志的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(hào)線和HART 信號(hào)線，對(duì)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(hào)。

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(hào)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(hào)隔離，實(shí)現(xiàn)HART 協(xié)議溫度控制器傳感器小信號(hào)輸入與輸出信號(hào)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(hào)經(jīng)濾波送AD7714 放大并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，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(hào)經(jīng)濾波后送入解調(diào)器HT2012，解調(diào)信 號(hào)通過串行口送入CPU。然后CPU 送出相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)到HT2012 調(diào)制成HART 數(shù)字信號(hào)， 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(hào)，并疊加到4-20mA 直流信號(hào)上。

3 硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)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)楦唠娖剑�并�?duì)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。