构建具有低功耗转换器和微控制器的智能模拟过程仪表变送器

作者：Albert O'Grady and Jim Ryan

模拟变送器是一种现场安装的设备，可感测压力或温度等物理参数，并产生与标准范围内测量变量成比例的电流，即 4 至 20 mA。在双绞线环路中以电流形式提供输出具有许多优点：测量信号对噪声不敏感，不受环路电阻变化的影响;符合标准的变送器可互换;为发射器电路供电所需的功率可以从远程提供的环路电压中获得。图1所示为传统发送器电路，由电源、电流操纵发送器和接收控制器组成。

图1.模拟变送器。

变送器设计满足了用户对提高性能和多功能性以及降低成本和维护的要求。第二代“智能模拟变送器”具有微处理器（和数据转换），可提供远程内存和计算能力（图 2）。它可以在将信号转换为电流并将其传输回控制器之前远程调节信号。例如，它可以归一化增益和失调，线性化具有已知非线性的传感器（如RTD和热电偶），方法是转换为数字，使用μP中的算术算法进行处理，转换回模拟并在环路上作为标准电流传输。这减轻了控制室的信号处理负担，如果必须处理大量信号，这是一个很大的优势。

图2.智能发射器。

第三代“智能和智能”发射器增加了数字通信，与传统的 4-20mA “dc”信号共享相同的双绞线（图 3）。通信通道允许通过双绞线传输测量变量的模拟和数字版本，以及与变送器相关的控制信号和诊断数据，例如校准系数、设备 ID 和与故障诊断相关的数据。变送器故障可以远程诊断，这对于危险场所的变送器非常有用。

Hart协议是智能发射器使用的事实通信标准。它采用基于贝尔 202 标准的频移键控 （FSK） 调制。数据以 1200 位/秒的速度传输，在 2.2 kHz （“0”） 和 1.2 kHz （“1”） 之间切换。

图3.智能变送器。

智能模拟变送器设计的组件选择： 图4所示为实现图2所示智能发射器的电路。以下各节讨论智能变送器设计因素和表格替代方案。除了低成本之外，最重要的限制因素是整个电路的功耗低于3.5 mA（“低报警”设置，比0 mA信号底低5.4 mA），以允许发射器环路供电。

图4.智能发射器的详细信息。

模数转换器： 选择ADC的其他主要标准是：

高集成度，可减少前端组件数量

高分辨率，满足所需的系统分辨率和精度

采用 3V 或 5V 电源的单电源供电

校准功能允许消除由于时间和温度漂移引起的组件或系统误差。

AD7713、AD7714和AD7715符合这些标准，适合用于任何智能发射器的前端。

AD7714是一款完整的多通道（3路差分，5路单端）模拟前端，适合低频应用。它可以直接接受来自传感器的低电平信号（图 5），具有片内可编程增益放大器 （PGA），可配置增益范围为 1 至 128。大多数使用AD7714的应用中无需前端仪表放大器。

图5.传感器接口与AD7714 ADC接口。

基准电压源可以从比率测量应用的传感器激励电压得出。

其 Σ-Δ 架构能够实现高达 24 位的无失码性能。采用3 V或5 V单电源供电，功耗为650 μA（省电模式下为<5 μA）。AD7714具有差分基准电压源输入。其输入信号范围为0至+20 mV至0至+2.5 V，单极性（取决于PGA增益设置）和±20 mV至±2.5 V双极性。其串行接口可配置为通过智能发射器电路中的微控制器轻松隔离的 3 线操作。

μC可以定期进行校准，消除器件本身或整个系统中的增益和失调误差以及随时间和温度的漂移。校准功能包括自校准、背景校准和系统校准。片上校准寄存器允许OEM在工厂进行校准，将系数存储在存储器中，并将其重写到现场的器件中。

AD7715本质上是AD16的1位、7714通道版本，具有PGA和输入信号范围、差分基准电压源、校准特性、3 V或5 V单电源供电以及3线串行接口等所有特性。

AD7713是一款用于低频测量的24位完整模拟前端。其两个低电平差分模拟输入通道可以直接从传感器获取信号。它还接受高电平（最多为基准电压源的四倍）单端输入。它具有一个差分基准输入，并提供两个片内电流源;它们可用于 3 线和 4 线电阻温度检测器 （RTD） 电路中的激励。增益设置、信号极性和RTD电流控制可以使用双向串行端口在软件中进行配置。AD7713还具有自校准、系统校准和背景校准功能，以消除零量程和满量程误差。

模数转换器选型表

 

模数转换器	分辨率	输入通道	电源电压	电流消耗*	封装选项
公元7714	16/24	3 个全差分 或 5 个单端	3 V/5 V	500 μA @ 3 V 670 μA @ 5 V	24 引脚 DIP、24 引脚 SOIC、 28 引脚 SSOP
						公元7715	16	1 个全差分	3 V/5 V	450 μA @ 3 V 650 μA @ 5 V	16 引脚 DIP、 16 引脚 SOIC
公元7713	16/24	2 个全差分 和 1 个单端	5 V	1.1毫安	24 引脚 DIP、 24 引脚 SOIC
*电流消耗值基于使用 1MHz 主时钟。

 

微控制器： 微控制器（μC）是智能发射器的引擎;它控制从传感器到环路电流的整个信息传输。μC的存储器和处理能力使得定期校准、信号调理、纠错、温度补偿和线性化成为可能，所有这些都在由环路电压供电的远程位置完成。除了低成本和低功耗外，用于智能变送器的μC还应具有以下特性：

记忆。它应该包含足够的ROM和RAM，无需外部存储器即可实现所有软件功能（引导程序加数据处理）;这减少了系统中的元件数量、电路板空间和功耗。

串行通信端口，用于提供与输入ADC和输出DAC的内部接口，用于控制和数据传输。只需几个光隔离器即可轻松实现电流隔离。

低时钟速度以最大限度地降低功耗，这通常与CMOS器件中的时钟速度成正比。

该表显示，μC具有足够的片上存储器和足够低的功耗，可以从环路供电，并实现典型发射器所需的“智能”功能。

微控制器选项

 

微控制器*	片上 ROM	片上内存	功耗
80L51	4K × 8	128 字节 × 8	1.7 毫安 （Vcc=3 V， Fclk=3.58 MHz） 50 μA （Vcc=3 V， Fclk=32 kHz） 省电模式下典型值为10 μA
MC68HC05	6160 字节	224 字节	0.8 毫安 （Vcc=5 V， Fclk=100 kHz） 0.7 毫安 （Vcc=3 V， Fclk=100 kHz） 32 μ A @ 5 V，20 μA @ 3 V省电模式
图LC 54	512，字节EEPROM	25 字节	1.8 mA（Vcc=5 V， Fclk=4 MHz） 14 μA （Vcc=3 V， Fclk=32 kHz 省电模式下 5 μA
MC68L11	16K	512 字节	2 毫安 （Vcc=3 V， Fclk=500 kHz）
μPD780xx	8K 至 32K	256 字节 到 1024 字节	120 μA（Vcc=5 V， Fclk=32 kHz） 64 μA （Vcc=3 V， Fclk=32 kHz） 1.8 mA （Vcc=3 V， Fclk=5 MHz）
*这些微控制器不是ADI公司的产品。

 

数模转换器：在智能变送器中，DAC是驱动和控制环路电流的手段。我们在这里要考虑的示例涉及 2 线遥控发射器。

数模转换器和电流环路控制电路的分辨率应与前端调理电路和ADC相当;DAC应该是单调的，因为过程变量（PV）可能是控制回路的一部分。这些以及足够低的电源电流足以将环路电源的总远端漏极保持在3.5 mA以下，是最低要求。DAC电路的额定电流消耗当然必须包括精密基准电压源的消耗和输出放大器的静态电流。工作温度范围必须足以维持所需的整体规格，而不会在工业环境中产生过多漂移。其他要求：

高度集成的芯片，可减少整体组件

高分辨率，满足系统分辨率和精度需求

采用 3V 或 5V 电源供电。

AD421和AD422单芯片IC专为工业电流环路控制应用而设计。这两款器件均提供远程变送器操作所必需的功能。

AD421*是一款环路供电电流控制Σ-Δ型DAC，采用BiCMOS实现，具有高分辨率和高精度。它配有两个精密基准和一个稳压器。DAC具有16位分辨率，可在4至20 mA（16 mA范围）编程范围内工作，还有一个额外位用于选择性编程0-32 mA范围内的报警电流。DAC输出为AD421内的环路电流控制电路提供设定点。该电路通过测量返回电流并操纵在其Boost端子上消耗的电流来伺服环路电流以跟踪其设定值。1.25V 和 2.5V 精密基准电压源经过激光调整和温度补偿以实现低漂移，无需任何独立基准电压源。它们可用作DAC（2.5 V）和ADC的基准输入。

*在大多数工业应用中，电源和信号（或过程变量）共享相同的接线到远程位置。4-20mA 接口可用于传输测量变量或向阀门或执行器发送命令信号。执行器可能比从4-20 mA环路信号有效获得的功率更多，因此它们通常作为四线设备连接，两个用于命令信号，一对用于为设备供电。

AD421集成了一个可调稳压器，为整个远端发送器电路（包括AD421本身）供电。该稳压器具有 3V、3.3V 和 5V 操作的可选设置，并可通过合适的外部电阻器编程为 3V 至 5V 的任何电压。为了实现该稳压器功能，需要一个外部耗尽模式调整管;它必须能够提供变送器所需的总电流。AD421采用小外形表面贴装封装，非常适合拥挤的防爆外壳。

除了集成的优点外，另一个好处是指定了器件的电流环路控制性能，避免了计算涉及多个器件的误差预算的需要。AD421具有SPI型三线接口，可轻松高效地连接大多数微控制器，如果需要将环路与传感器进行电气隔离以实现本质安全，则需要最少数量的光隔离器。

AD421设计用于智能和智能发送器应用。智能变送器（图 4）虽然采用数字操作，但在 16mA （4-20mA） 的范围内仅产生与过程变量成比例的模拟环路电流。智能变送器增加了另一个功能维度（见侧栏）。变送器既可以模拟形式在电流环路上发送PV信号，也可以通过调制环路中的电流来发送和接收数字信息。数字信号使用调制解调器电路发送和接收，该电路将数字电平转换和传输为调制电流，并将接收到的调制电流转换为数字 421 和 20。AD15可与独立调制解调器连接;其电流控制环路部分为调制信号提供了一个合适的输入节点，用于从外部HART调制解调器耦合，例如Symbios Logic的6C<>。独立的调制解调器以数字方式连接到微控制器或UART，如图<>所示。

图6.用一个分立的HART调制解调器补充图4所示的智能传感器。

新器件AD422降低了使用HART协议的智能发送器的物理复杂性。它将AD421的功能模块（稳压器、DAC、电流控制环路和基准电压源）与HART调制解调器和多个监控电路（看门狗定时器、报警输入和复位发生器）集成在一个芯片上！它是一种高度集成的解决方案，专门针对智能变送器的设计（图 7），大大减少了组件数量。

图7.采用AD422的完整智能发射器

哈特协议

工业应用中通过4至20mA电流环路进行通信的事实标准是高速公路可寻址远程传感器（HART）协议，该协议最初由罗斯蒙特公司开发，但现在由HART基金会为一般社区提供支持。该协议改编自贝尔 202 频移键控 （FSK） 电话标准：环路电流以 1200 位/秒的速度传输，作为两个相位连续频率之一，即 1.2 kHz“标记”（1） 或 2.2 kHz“空间”（0）。经过适当滤波，交流信号不会影响测量的直流值。HART实现了主/从协议;远程“从”设备仅在主设备寻址时响应。

由于智能变送器是远程仪器，除了模拟PV信号外没有其他通信方式，因此无法询问它们的状态信息（但额外的报警位可用于输出小于4 mA或大于20 mA的电流）。然而，智能变送器可以与控制室进行交互通信，以便可以随时轮询详细的状态信息。HART电路可以取代现有的智能或模拟变送器安装，而无需运行新的布线，这是一个主要优势，因为大部分现有的变送器装置都可以通过简单地用HART兼容的变送器替换现有的变送器来升级。智能变送器还可以提高过程控制回路的性能。例如，控制室可以远程“调整”传感器输出。变送器通常能够测量两个过程变量（初级和次级过程变量），而不是可以通过简单的4至20 mA接口传输的单个PV。智能发射器可以发送两个PV上的信息，以及其他相关信息。HART配置还可以单独进行数字通信;模拟电流仅用作数字信息的载体。

该协议具有许多与七层OSI模型密切相关的层。ADI公司的AD422是物理层解决方案;其他的则在软件中实现。

审核编辑：郭婷