MAXQ微控制器驱动智能4-20mA发送器

Franco Contadini

4-20mA电流环路是工业过程监控应用中传输传感器信息的常用技术。（传感器测量物理参数，如温度、压力、速度和液体流速。电流环路信号对噪声相对不敏感，其功率可以从远程供电的电压中获得。这使得电流环路在信息必须长距离传输到远程位置时特别有用。

简单的循环操作

在电流环路中，传感器的输出电压首先转换为比例电流，其中4mA通常表示传感器的零电平输出，20mA表示满量程输出。远端的接收器将4-20mA电流转换回电压，该电压可由计算机或显示模块进一步处理。

典型的4-20mA电流环路电路由四个元件组成：传感器/变送器、电压-电流转换器、环路电源和接收器/监视器。在环路供电应用中，传感器驱动电压-电流转换器，其他三个元件串联起来形成闭环（图 1）。

图1.4-20mA环路供电电路示意图

智能4-20mA变送器

传统上，4-20mA变送器包括一个现场安装的器件，该器件感测物理参数并产生4-20mA标准范围内的比例电流。为了响应行业需求，第二代4-20mA变送器，称为“智能变送器”，使用微控制器（μC）和数据转换器远程调节信号。

智能变送器可以归一化增益和偏移，通过将模拟信号转换为数字信号（例如RTD传感器和热电偶）来线性化传感器，使用驻留在μC中的算术算法处理信号，转换回模拟信号，并将结果作为标准电流沿环路传输。

最新的第三代4-20mA发送器（图2）被认为是“智能和智能”的。它们增加了数字通信，与4-20mA信号共享双绞线。由此产生的通信通道可以传输控制和诊断信号以及传感器数据。

图2.智能和智能4-20mA变送器示意图。

智能发射器使用的通信标准是Hart协议，该协议采用频移键控（FSK），并基于贝尔202电话通信标准。数字信号的第 1 位和第 0 位分别由频率 1200Hz 和 2200Hz 表示。这些频率的正弦波叠加在传感器的直流模拟信号上，以提供同步的模拟和数字通信（图 3）。

图3.同步模拟和数字通信。

4-20mA模拟信号在此过程中不受影响，因为FSK信号的平均值始终为零。数字状态每秒可以改变两到三次，而不会中断模拟信号。允许的最小环路阻抗为23Ω。

智能、智能 4-20mA 发送器的基本 μC 要求

μC必须具备三种特定功能才能执行这种4-20mA电流环路应用。μC 需要：

一个串行接口，用于驱动用于数据采集的ADC，用于设置环路电流的DAC。

低功耗，因为当前预算为4mA。

乘法累加单元（MAC），它既实现了应用于输入信号的数字滤波器，又对Hart协议的两个频率进行编码和解码。

选择微C

上述必要功能在MAXQ系列RISC μC中均有（图4）。

图4.MAXQ μC架构示意图

模拟功能 MAXQ μC实现多种模拟功能
。时钟管理方案仅向当前正在使用的块提供时钟。例如，如果指令涉及数据指针（DP）和算术逻辑单元（ALU），则时钟仅应用于这两个块。该技术可降低功耗并降低开关噪声。

低功耗 MAXQ μC具有先进的电源管理功能，通过动态匹配μC处理速度和所需的性能水平，将功耗降至最低。功耗较慢，例如，在活动减少期间。为了施加更大的处理能力，μC提高了其工作频率。

PMM1：被 256 分频电源管理模式

PMM2：32kHz 电源管理模式（PMME = 1，其中 PMME 是系统时钟控制寄存器的 BIT 2）

停止模式（停止 = 1）

滤波信号处理
MAXQ μC内部的MAC实现4-20mA应用所需的信号处理。模拟信号被呈现给ADC，产生的采样流在数字域中被滤波。可以使用以下公式实现通用筛选器：

 

y[n] = Σbix[n-i] + Σaiy[n-i]

其中 b我和我分别表征系统的前馈和反馈响应。取决于我和 b我，数字滤波器可分为有限脉冲响应（FIR）或无限脉冲响应（IIR）。当系统不包含反馈元素（所有我= 0），滤波器为 FIR 类型：

y[n] = Σbix[n-i]

如果两者都我和 b我元素不为零，但是，过滤器是 IIR 类型。

从上面的FIR滤波器等式中可以看出，主要的数学运算将每个输入样本乘以一个常数，然后将每个乘积累加到n个值上。这些操作由以下 C 片段说明：

y[n]=0;
for(i=0; i

	MAXQ μC的MAC执行该操作的执行时间为4 + 5n个周期，代码空间仅为9个字（而传统μC和MAC需要12个字）。
move DP[0], #x 			; DP[0] -> x[0]
move DP[1], #b 			; DP[1] -> b[0]
move LC[0], #loop_cnt 		; LC[0] -> number of samples
move MCNT, #INIT_MAC 		; Initialize MAC unit

MAC_LOOP:

move DP[0], DP[0] 			; Activate DP[0]
move MA, @DP[0]++ 			; Get sample into MAC
move DP[1], DP[1] 			; Activate DP[1]
move MB, @DP[1]++ 			; Get coeff into MAC and multiply
djnz LC[0], MAC_LOOP.

	在MAXQ的MAC中，请注意，当第二个操作数加载到单元中并且结果存储在MC寄存器中时，会自动发生请求的操作。另请注意，MC 寄存器宽度（40 位）在溢出之前可以累积大量 32 位乘法结果。这种能力改进了传统方法，在传统方法中，每次原子操作后都必须测试溢出。

	MAXQ2000 μC的独特功能

	ADI公司MAXQ系列的第一个成员是低功耗、16位RISC微控制器，称为MAXQ2000。它集成了一个用于液晶显示器 （LCD） 的接口，可驱动多达 100 个 （-RBX） 或 132 个 （-RAX） 段。MAXQ2000非常适合血糖监测，适合于任何要求高性能和低功耗的应用。它的最大工作频率为 14MHz （VDD > 1.8V） 或 20MHz （VDD > 2.25V）。

	MAXQ2000包括32k字闪存（用于原型设计和小批量生产）、1k字RAM、16个1位定时器和8个或2000个通用同步/异步接收器/发送器（UART）。为提高灵活性，微控制器内核 （<>.<>V） 和 I/O 子系统采用单独的电源电压。超低功耗休眠模式使MAXQ<>非常适合便携式和电池供电设备。

	MAXQ2000评估板

	功能强大的MAXQ2000 μC可通过评估板（EV）进行评估，评估板是MAXQ2000的完整硬件开发环境（图6）。

	

	图6.MAXQ2000评估板框图

	MAXQ2000评估板具有以下特性：

	用于MAXQ2000内核和VDDIO电源轨的板载电源。

	可调电源（1.8V至3.6V），可用于VDDIO或VLCD电源轨。

	用于所有MAXQ2000信号和电源电压的接头引脚。

	独立的液晶子板连接器。

	LCD子板，带3V，3.5位静态LCD显示屏。

	用于串行UART（线路232）的完整RS-0电平驱动器，包括流量控制线路。

	用于外部中断和微控制器系统复位的按钮。

	MAX1407多用途模数模数转换器/DACIC，连接MAXQ2000 SPI总线接口。

	1线接口和1线EEPROM IC。

	条形图 LED 显示屏，用于显示端口引脚 P0.7 至 P0.0 处的电平。

	用于应用程序加载和系统内调试的JTAG接口。

	因此，MAXQ2000评估板具有实现智能4-20mA发送器所需的全部功能：具有真正乘法累加单元的低功耗μC（用于滤波和音调编码/解码）;用于传感器读数的 ADC;以及用于生成模拟输出信号的DAC（图7）。通过增加MAX1102等低功耗编解码器，还可以实现HART调制解调器。

	

	图7.基于MAXQ4 μC的20-2000mA发送器

	HART调制解调器实现

	如果系统包括1200Hz和2200Hz（代表位1和0）的音调编码器，则MAC可用于实现HART调制解调器请求的功能，以及这些频率的音调检测。

	要生成所需的正弦波，您可以将递归数字谐振器实现为双极点滤波器，由以下差分方程描述：

	Xn= k * XN-1， yN-2,

	其中常数 k 等于 2 cos（2π*音调频率/采样率）。k的两个值可以预先计算并存储在ROM中。例如，以 1200kHz 采样率产生 8Hz 音调所需的值为 k = 2 cos（2π*1200/8000）。

	您还必须计算使振荡器开始运行所需的初始脉冲。如果 XN-1和 XN-2都是零，然后每个后续的 Xn将为零。要启动振荡器，请设置 XN-1为零并设置 XN-2如下：

	XN-2= -A*sin[2π（音调频率/采样率）]

	假设我们的示例为单位正弦波，此方程简化为 XN-2= -1sin[（2π（1200/8000）]。若要进一步将其简化为代码，请首先初始化两个中间变量（X1、X2）。X1 初始化为零;X2加载初始激励值（上面计算）以开始振荡。因此，要生成正弦波的一个样本，请执行以下操作：
X0 = kX1 - X2
	X2 = X1
	X1 = X0

	计算每个新的正弦值需要一次乘法和一次减法。利用MAXQ μC上的单周期硬件MAC，可以产生如下正弦波：

	 
move DP[0], #X1 			; DP[0] -> X1
move MCNT, #INIT_MAC 		; Initialize MAC unit
move MA, #k 				; MA = k
move MB, @DP[0]++ 			; MB = X1, MC=k*X1, point to X2
move MA, #-1 				; MA = -1
move MB, @DP[0]-- 			; MB = X2, MC=k*X1-X2, point to X1
nop 						; wait for result
move @--DP[0], MC 			; Store result at X0.

	因为我们只需要检测两个频率，所以我们使用改进的Goertzel算法，它可以作为简单的二阶滤波器实现（图8）。

	

	图8.Goertzel 算法实现为一个简单的二阶滤波器。

	要使用 Goertzel 算法检测特定频率，请在编译时首先使用以下公式计算常量的值：
k = tone frequency/sampling rate
	a1 = 2cos(2πk)

	接下来，将中间变量 D0、D1 和 D2 初始化为零，并对收到的每个样本 X 执行以下操作：
D0 = X + a1*D1 - D2
	D2 = D1
	D1 = D0

	在收到足够数量的样本（205kHz采样率通常为8个样本）后，使用D1和D2的最新计算值计算以下内容：
P = D12 + D22 - a1 * D1 * D2.

	P现在包含输入信号中测试频率的平方功率的度量。

	为了解码这两种音调，我们用两个过滤器处理每个样本。 每个筛选器都有自己的 k 值和自己的一组中间变量。每个变量的长度为 16 位，因此整个算法需要 48 字节的中间存储。

	审核编辑：郭婷