探索Novato（MAXREFDES16#）：4 - 20mA 环路供电温度传感器与HART通信

在工业过程控制和自动化领域，温度测量是一项至关重要的任务。Maxim Integrated的Novato（MAXREFDES16#）参考设计为我们带来了一个高性能的解决方案，它是一款16位、高精度、环路供电的温度传感器，能够通过4 - 20mA电流环路和HART通信协议将远程物体的温度信息传输到中央控制单元。

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一、设计亮点

Novato参考设计具有众多令人瞩目的特性，使其在温度测量领域脱颖而出：

1. 广泛的传感器兼容性：支持2 - 4线RTD传感器输入，适用于从PT100到PT1000的各种RTD类型。
2. 宽温度测量范围：能够测量 -200°C到 +850°C的温度，满足大多数工业应用的需求。
3. 高精度测量：在整个工作范围内，精度优于0.1%或1.0°C，温度分辨率达到0.03°C。
4. 稳定的供电和输出：供电电压范围为12V到40V，输出为4 - 20mA电流环路，环路负载为10½到1k½。
5. HART通信协议支持：支持HART通信协议，满足工业自动化中的远程通信需求。
6. 传感器故障检测：具备传感器烧毁检测功能，提高系统的可靠性。
7. NAMUR标准兼容：符合NAMUR标准，下刻度小于3.2mA，上刻度可在20.5mA到 > 24mA之间编程。
8. 电流限制保护：环路电流限制器为30mA ±5mA，保护系统安全。

二、信号链结构

Novato智能传感器发射器的信号链包含多个关键组件：

1. MAX11213 ADC：16位delta - sigma ADC，具有可编程增益和GPIO功能，用于将传感器信号转换为数字信号。
2. RL78/G13微控制器：Renesas的微控制器，带有128kB闪存，负责数据处理和控制。
3. 4 - 20mA电流环路发射器：由MAX5216和MAX9620构建，将温度数据转换为4 - 20mA电流信号。
4. DS8500调制解调器：提供基于HART协议的数字接口，实现远程通信。
5. 电源和参考电压模块：MAX15006和MAX6133为整个电路提供电源和参考电压。

三、测量原理

1. 传感器电阻测量

通过ADC的传递函数进行传感器电阻的比例测量： [ADCcode =left(left(V{AINP }-V{AINN }right)right) /left(V{REF} /right. gain left.) timesleft(2^{16}-1right)right.] 其中 ((V{AINP }-V{AINN })=I{R T D} ×R{R T D}) 是RTD上的电压降，(V{REF }=I{RTD } ×R{REF }) 是参考电阻 (R{REF}) 上的电压降。该公式可进一步改写为： [ADCcode =R{R T D} /left(R_{R E F} /right. gain ) timesleft(2^{16}-1right)]

2. 温度计算

将ADC代码根据Callendar - Van Dusen方程转换为温度数据： [R(T)=R_{0}left(1+A × T+B × T^{2}-100 × C × T^{3}+C × T^{4}right)] 对于PT100，相关常数如下：

• (A =3.90830 × 10^{-3})
• (B=-5.77500 × 10^{-7})
• (C=4.18301 × 10^{-12})（-200°C ≤ T ≤ 0°C）
• (C=0)（0°C ≤ T ≤ 850°C）

在忽略负温度下的系数 (C) 时，可通过求解二次方程计算温度： [Tleft(^{circ} Cright)=left(-A+sqrt{A^{2}-4 Bleft(1-R{R T D} / R{0}right)}right) / 2 B] 其中 (R{R T D}=left(A D C c o d e × R{R E F}right) /left(left(2^{16}-1right) × gain right))

3. 电流转换

将温度转换为4 - 20mA环路电流： [D A C c o d e=4 mAcode +(20 mAcode -4 mAcode ) /(Tmax - Tmin ) times(T-Tmin)]

四、传感器校准

校准传感器是确保测量准确性的关键步骤，使用Novato校准软件和USB - to - UART编程适配器可以轻松完成校准：

1. 连接设备：将编程适配器通过USB端口连接到PC，通过2线UART接口连接到Novato板的J4头。
2. 启动软件：启动Novato校准软件，等待PC识别USB设备。
3. 校准步骤：
   • 禁用主环路：选择校准模式复选框，允许与传感器通信。
   • 选择RTD：在校准选项卡中，点击“RTD设置”按钮，选择合适的RTD参数，如 (R_{0}) 电阻、增益、最大和最小温度。
   • 系统偏移校准：短路传感器输入连接器的J1.1、J1.2、J1.3和J1.4，选择系统偏移单选按钮并点击校准按钮。
   • 系统增益校准：短路J1.1、J1.2和J1.4，将J1.3连接到VGND测试点，选择系统增益单选按钮并点击校准按钮。
   • 20mA环路电流校准：选择20mA单选按钮，在DAC值编辑框中输入值并点击校准按钮，通过外部数字万用表调整DAC代码，直到环路电流为20mA。
   • 4mA环路电流校准：选择4mA单选按钮，重复上述步骤，直到环路电流为4mA。
   • 调整ADC增益和偏移：使用Fluke 724过程校准器模拟RTD，手动调整Self Gain和Self Offset寄存器，使ADC数据达到预期值。
   • 保存校准值：点击“保存到闪存”按钮，将校准值存储到非易失性存储器中。
   • 禁用校准模式：取消选择校准模式复选框，恢复正常操作。

五、HART通信协议

Novato参考设计完全满足HART物理层要求，其HART功能集由AB Tech Solution开发。HART堆栈支持所有通用和常见实践命令，但不由Maxim Integrated提供。如需了解许可、集成和特定设备功能的进一步开发，请联系AB Tech Solution。

六、实验室测量

使用Fluke 724过程校准器对PT100 RTD进行测量，通过Agilent 34401A数字万用表测量4 - 20mA环路电流。测量结果显示了误差随温度的变化情况，有助于评估设计的性能。

七、购买信息

可以直接购买Novato（MAXREFDES16#）参考设计，也可以通过当地的Maxim代表订购。同时，还提供相关部件的免费样品，方便工程师进行测试和开发。

总的来说，Novato（MAXREFDES16#）参考设计为工业温度测量提供了一个全面、可靠的解决方案。它的高精度、广泛的兼容性和易于校准的特点，使其成为工业过程控制和自动化领域的理想选择。你在实际应用中是否遇到过类似的温度测量问题？你对这种设计有什么独特的见解吗？欢迎在评论区分享你的经验和想法。