基于HART協(xié)議的高精度溫度控制器設(shè)計

　1 引言

　　隨著控制技術(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(tǒng)） 的發(fā)展需要，促使以現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)為總體標(biāo)志的現(xiàn)場總線的技術(shù)產(chǎn)生，并且迅速發(fā)展，推動 著控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及自動化儀表邁進(jìn)到現(xiàn)場總線控制系統(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）信號線和HART 信號線，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輸入和A/D 電路供電。使用低驅(qū)動電 流的光電隔離器作信號隔離，實現(xiàn)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，同時實現(xiàn)溫度控制器的低電流消耗要求。

　　電路工作原理是:溫度傳感器信號經(jīng)濾波送AD7714 放大并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，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)字通信信號經(jīng)濾波后送入解調(diào)器HT2012，解調(diào)信 號通過串行口送入CPU。然后CPU 送出相應(yīng)的應(yīng)答信號到HT2012 調(diào)制成HART 數(shù)字信號， 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，并疊加到4-20mA 直流信號上。

　　3 硬件電路詳細(xì)設(shè)計

　　3.1 信號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 計算為例，由于光耦最小驅(qū)動電流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，圖中a、 c 和d 點為邏輯低電平；b、e 為高電平，當(dāng)VI 脈沖到來時，b 點跳到2VCC，隨后放電至 VCC，c、d、e 點不變。當(dāng)VI 負(fù)跳變沿到來時，b、c、d、e 各點翻轉(zhuǎn)，然后C21 開始放電， 當(dāng)d 點電位降到反相器轉(zhuǎn)換電壓值時，反相器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，e 點變?yōu)楦唠娖?，并對C13 充電， 當(dāng)b 點電位升到反相器轉(zhuǎn)換電壓值時，反相器狀態(tài)轉(zhuǎn)換,C 點變?yōu)榈碗娖?，從C 點引出穩(wěn)態(tài) 脈沖。