基于微處理器的智能發(fā)射器信號(hào)鏈解決方案詳解

當(dāng)代的現(xiàn)場(chǎng)儀器，也就是眾所周知的智能發(fā)射器，是基于微處理器的智能現(xiàn)場(chǎng)儀器，用于監(jiān)控過(guò)程控制變量，例如溫度、流速和壓力等。隨著一些處理功能從中心控制室分散到工作現(xiàn)場(chǎng)，此類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化程度日益提高。這同時(shí)也增加了智能發(fā)射器信號(hào)鏈的復(fù)雜性，向最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著一種直接挑戰(zhàn)，也就是既要融合額外的智能、功能和診斷能力，同時(shí)又要開(kāi)發(fā)出能夠在4-20mA的環(huán)路所提供的有限功率范圍內(nèi)有效運(yùn)行的系統(tǒng)。由ADI公司開(kāi)發(fā)并向HART?通信基金會(huì)注冊(cè)的一個(gè)示例解決方案專(zhuān)門(mén)用于此類(lèi)設(shè)計(jì)。

圖1和圖2所示的兩種傳感器常用于智能發(fā)射器設(shè)計(jì)，其中的主變量取決于輔助變量(例如主變量的溫度補(bǔ)償)。ADuCM360的片內(nèi)ADC 0測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)儀表的主傳感器：在本例中，它是電阻電橋壓力傳感器，而ADC 1則用于測(cè)量輔助溫度傳感器信號(hào)。

這樣可以實(shí)現(xiàn)主傳感器的溫度補(bǔ)償。與ADC相同，兩個(gè)儀表放大器也集成到ADuCM360上，另外還有激勵(lì)電流源、基準(zhǔn)電壓源和其他所需模擬電路。所有現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)字功能都由低功耗32位ARM Cortex?-M3 RISC處理器提供。微控制器是一個(gè)復(fù)雜元件，可能需要很大功率，所以每毫瓦功率能夠完成的處理越多越好。因此，我們需要調(diào)節(jié)控制器運(yùn)行的時(shí)鐘頻率，既要維持必需的運(yùn)行，還要保持在低功耗預(yù)算范圍內(nèi)運(yùn)行。對(duì)于任何微處理器外設(shè)/接口的時(shí)鐘信號(hào)，同樣也必須達(dá)到這些要求。要讓ADuCM360保持在分配的功耗預(yù)算范圍內(nèi)運(yùn)行，另一個(gè)關(guān)鍵因素是能夠?qū)㈦娫磩?dòng)態(tài)切換到各個(gè)模塊。這種電源門(mén)控功能確保每個(gè)功能模塊需要電源時(shí)為其提供電源，但特定功能模塊關(guān)閉時(shí)，則會(huì)關(guān)閉其電源。

除了處理測(cè)量之外，ADuCM360還用于控制DAC，再由DAC控制環(huán)路電流。AD5421是一款完整的環(huán)路供電型4 mA-20 mA數(shù)模轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源、環(huán)路接口和可編程電壓調(diào)節(jié)電路，它們都是從環(huán)路獲取低功耗電源，并為自身以及發(fā)射器信號(hào)鏈的其他元件供電所必需的。DAC還提供多個(gè)片內(nèi)診斷功能，所有這些功能都可由微控制器配置和讀取，但也可以自主工作。例如，如果微控制器和DAC之間的通信失敗，片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器會(huì)在指定時(shí)間長(zhǎng)度之后，自動(dòng)將DAC模擬輸出設(shè)置為3.2 mA“報(bào)警”電流。這樣可將現(xiàn)場(chǎng)儀器工作故障這一情況匯報(bào)給主機(jī)。

最后，AD5700 HART調(diào)制解調(diào)器和微控制器的UART接口共同實(shí)現(xiàn)智能發(fā)射器設(shè)計(jì)中的HART(可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速通道)通信，并在讀取儀器的進(jìn)程和診斷信息方面發(fā)揮重要作用。HART輸出通過(guò)容性分壓器調(diào)整至所需幅度，并耦合至DAC的CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅(qū)動(dòng)和調(diào)制輸出電流。HART輸入通過(guò)簡(jiǎn)單無(wú)源RC濾波器從LOOP+耦合。RC濾波器作為第一級(jí)，用作HART解調(diào)器的帶通濾波器，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)抵抗電磁干擾的能力——這對(duì)于穩(wěn)定工作在惡劣工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用而言非常重要。HART調(diào)制解調(diào)器的時(shí)鐘由片上低功耗振蕩器生成，具有3.8664 MHz外部晶振，使用兩個(gè)8.2 pF接地電容，直接連接到XTAL引腳。此配置使用可能最低的功率。

總而言之，以上所述電路演示了一種可能解決方案，可以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)路供電智能變送器的多方面挑戰(zhàn)，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。ADI公司提供的DEMO-AD5700D2Z解決方案可以直接應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，平衡每個(gè)組件所需的功耗分配，從而產(chǎn)生綜合全面的信號(hào)鏈，由此滿(mǎn)足現(xiàn)代多功能市場(chǎng)領(lǐng)先型智能發(fā)射器設(shè)計(jì)在功耗、性能、尺寸和診斷方面的要求。