基于MAXQ構(gòu)建增強型智能4-20mA變送器

簡單的環(huán)路工作

在電流環(huán)路中，傳感器的輸出電壓首先按比例轉(zhuǎn)換成電流，一般4ma表示傳感器的零電平輸出，20ma表示滿量程輸出。遠端接收器將4-20ma電流又轉(zhuǎn)換為電壓，利用計算機或顯示模塊做進一步處理。

典型的4-20ma電流環(huán)電路包括四個部分：傳感器/變送器、電壓-電流轉(zhuǎn)換器、環(huán)路電源和接收器/監(jiān)視器。在環(huán)路供電的應(yīng)用中，傳感器驅(qū)動電壓-電流轉(zhuǎn)換器，其他三個部分串聯(lián)連接，構(gòu)成閉環(huán)回路(圖1)。

智能型4-20ma變送器
傳統(tǒng)上，4-20ma變送器包括一個安裝在現(xiàn)場的器件，該器件感測物理參數(shù)并產(chǎn)生4-20ma標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的比例電流。為適應(yīng)工業(yè)需求，出現(xiàn)了稱作“智能型變送器”的第二代4-20ma變送器，這種變送器采用微控制器(μc)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器調(diào)理遠端信號。
智能型變送器可以對增益和失調(diào)進行校準(zhǔn)，通過將傳感器模擬信號數(shù)字化(如rtd傳感器和熱電偶)實現(xiàn)線性化處理，用駐留在μc內(nèi)部的數(shù)學(xué)算法處理信號，再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬信號，結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)電流的形式沿環(huán)路傳輸。

最新的第三代4-20ma變送器(圖2)被認為是“增強型智能”變送器。它們增加了與4-20ma信號共享雙絞線的數(shù)字通信功能。所提供的通信通道在傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時，還可傳輸控制和診斷信號。

智能型變送器所使用的通信標(biāo)準(zhǔn)是hart協(xié)議，該協(xié)議基于bell 202電話通信標(biāo)準(zhǔn)，采用頻移鍵控(fsk)方式。其數(shù)字信號1和0分別由1200hz和2200hz頻率表示。這些頻率的正弦波疊加在傳感器的直流模擬信號上，同時提供模擬和數(shù)字通信(圖3)。

因為fsk信號的平均值始終為零，4-20ma模擬信號在此過程中不受影響。數(shù)字狀態(tài)每秒鐘可以轉(zhuǎn)換兩到三次，而不會妨礙模擬信號。允許的最小環(huán)路阻抗為23。

4-20ma增強型智能變送器對μc的基本要求
要實現(xiàn)這種4-20ma電流環(huán)路應(yīng)用，μc必須具備三種特定性能：
串行接口，連接用于數(shù)據(jù)采集的adc和用于設(shè)置環(huán)路電流的dac。
因為電流預(yù)算為4ma，所以要求低功耗。
乘法-累加單元(mac)，既完成輸入信號的數(shù)字濾波，又同時編碼和解碼hart協(xié)議中的兩種頻率。
選擇μc
maxq系列risc μc具備上述所有必需的功能(圖4)。

模擬功能
maxq μc包含若干模擬功能。采用的時鐘管理方案只對當(dāng)前使用的模塊提供時鐘。例如，如果一條指令用到數(shù)據(jù)指針(dp)和算術(shù)邏輯單元(alu)，那么只給這兩個模塊提供時鐘。這一技術(shù)降低了功耗和開關(guān)噪聲。
低功耗
maxq μc具有先進的電源管理功能，通過動態(tài)地將μc處理速度與需要的性能水平相匹配，可使功耗降至最低。例如，工作量減少的情況下，功耗較低。要投入更多的處理能力時，μc就需要提高工作頻率。
軟件可選的時鐘分頻操作，允許靈活地選擇1、2、4或8個振蕩器周期作為一個系統(tǒng)時鐘周期。通過軟件實現(xiàn)這一功能，因此μc在不需要增加額外硬件成本的情況下即可進入低功耗狀態(tài)。 還可為那些對功耗極其敏感的應(yīng)用提供另外三種低功耗模式：

pmm1: 256分頻電源管理模式
pmm2: 32khz電源管理模式(pmme = 1，其中pmme是系統(tǒng)時鐘控制寄存器的第2位)
停止模式(stop = 1)
在pmm1模式下，一個系統(tǒng)時鐘周期等于256個振蕩器周期，μc降速工作，從而大大降低了功耗。在pmm2模式下，器件以32khz振蕩器作為時鐘源，工作速度更低。使能的中斷源發(fā)生中斷時，可選的時鐘返回功能可使器件快速退出電源管理模式，并返回到更快的內(nèi)部時鐘頻率上。這些使能的中斷源可以是外部中斷、uart和spi模塊。所有這些功能使maxq μc的處理能力達到3mips/ma，性能遠遠超出最接近的其它處理器(圖5)。

信號濾波處理
maxq μc內(nèi)部的mac完成4-20ma應(yīng)用所需的信號處理功能。模擬信號輸入到adc，在數(shù)字域濾波采樣流。用以下等式可實現(xiàn)通用濾波功能：
y[n] = bix[n-i] + aiy[n-i]

式中，bi和ai分別表征系統(tǒng)的前饋和反饋響應(yīng)特性。根據(jù)ai和bi的不同取值，數(shù)字濾波器可分為有限長沖激響應(yīng)型(fir)或無限長沖激響應(yīng)型(iir)。當(dāng)系統(tǒng)不包含反饋(所有ai = 0)時，濾波器為fir型：

y[n] = bix[n-i]

然而，如果ai和bi都不為零，則濾波器是iir型。

從上面的fir濾波器方程可以看出，主要的數(shù)學(xué)運算是將各輸入采樣乘以一個常數(shù)，然后將n個乘積累加。下面這段c程序可說明該運算：

y[n]=0;
for(i=0; i y[n] += x[i] * b[i]

maxq μc的mac需要4 + 5n個周期完成此運算，代碼空間只有9個字(而傳統(tǒng)μc和mac需要12個字)。
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.

(maxq架構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲器訪問細節(jié)參見附錄)。
注意：在maxq的mac中，裝入第二個操作數(shù)時，自動執(zhí)行被請求的操作，運算結(jié)果存入mc寄存器。還須注意：溢出前，mc寄存器寬度(40位)可以累加大量的32位乘法結(jié)果。該功能是對傳統(tǒng)方法的改進，傳統(tǒng)方法在每次基本操作后都要驗證是否溢出。

maxq2000 μc的獨特性能
低功耗、16位risc微控制器maxq2000是maxim maxq家族的第一個成員。它具有液晶顯示器(lcd)接口，可驅(qū)動多達100 (-rbx)或132 (-rax)段。maxq2000極為適合血糖監(jiān)測應(yīng)用，并且適合任何需要高性能、低功耗工作的應(yīng)用。工作頻率最大為14mhz (vdd > 1.8v)或20mhz (vdd > 2.25v)。
maxq2000含有32k字的閃存(適合原型設(shè)計和小批量生產(chǎn))、1k字ram、3個14位定時器，以及1或2個通用同步/異步收發(fā)器(uart)。為了靈活起見，微控制器內(nèi)核電源(1.8v)與i/o子系統(tǒng)電源獨立。超低功耗的休眠模式使maxq2000成為便攜式和電池供電設(shè)備的理想選擇。

maxq2000評估板
功能強大的maxq2000 μc可以利用其評估板(ev)進行評估，該評估板提供了完整的maxq2000硬件開發(fā)環(huán)境(圖6)。

maxq2000評估板具有下列特點：

板上maxq2000內(nèi)核電源和vddio電源。
可調(diào)電源(1.8v至3.6v)，可用作vddio或vlcd電源。
對應(yīng)maxq2000所有信號和電源的插頭引腳。
獨立的lcd子板連接器。
lcd子板，裝有3v、3.5位靜態(tài)lcd顯示器。
連接串行uart (端口0)的rs-232電平驅(qū)動器，包括流量控制線。
外部中斷按鈕和微控制器系統(tǒng)復(fù)位按鈕。
max1407多功能adc/dac芯片，連接到maxq2000的spi總線接口。
1-wire接口和1-wire eeprom芯片。
條型led顯示，指示端口引腳p0.7至p0.0的電平狀態(tài)。
jtag接口，用于應(yīng)用程序下載和在系統(tǒng)調(diào)試。
因此，maxq2000評估板具備了構(gòu)建智能型4-20ma變送器需要的所有功能：具有真正乘法-累加單元(用于濾波和頻率編碼/解碼)的低功耗μc；轉(zhuǎn)換傳感器信號的adc；產(chǎn)生模擬輸出信號的dac (圖7)。加上一個低功耗codec，如max1102，就可以實現(xiàn)一個hart調(diào)制解調(diào)器。

hart調(diào)制解調(diào)器的實現(xiàn)
如果系統(tǒng)包含1200hz和2200hz (分別代表1和0)頻率編碼器，同時要對這些頻率進行檢測，可以采用mac實現(xiàn)hart調(diào)制解調(diào)器要求的這些功能。
要產(chǎn)生所需的正弦波形，可以利用下述差分方程描述的兩極點濾波器形式實現(xiàn)遞歸數(shù)字式諧振器：

xn = k * xn-1 - xn-2,

式中，常數(shù)k等于2 cos(2*頻率/采樣率)。可以預(yù)先計算k的兩個值，并存在rom中。例如，要用8khz采樣率產(chǎn)生1200hz頻率，該值為k = 2 cos(2*1200/8000)。

必須計算能使振蕩器開始振蕩的初始激勵。如果 xn-1和 xn-2都為0，接下來的每個xn也都將為0。要啟動振蕩器，將 xn-1設(shè)為0， xn-2采用如下設(shè)置：

xn-2 = -a*sin[2(頻率/采樣率)]

在本例中，假設(shè)采用單位幅度的正弦波，該式簡化為 xn-2 = -1sin[(2(1200/8000)]。為進一步簡化編碼，首先，初始化兩個中間變量(x1, x2)。x1初始化為0，x2為初始激勵值(上面的計算結(jié)果)，以啟動振蕩器。這樣，要產(chǎn)生一個正弦波的采樣，可進行下列運算：

x0 = kx1 - x2
x2 = x1
x1 = x0

每個新的正弦值都需要一次乘法運算和一次減法運算。利用maxq μc的單周期硬件mac，可以采用如下操作產(chǎn)生正弦波：
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.

因為我們只需要檢測兩種頻率，所以采用改進的goertzel算法，這種算法可以用簡單的二階濾波器實現(xiàn)(圖8)。

要使用goertzel算法檢測特定頻率，編譯時要首先使用下式計算出常數(shù)：

k = tone frequency/sampling rate
a1 = 2cos(2k)

隨后，將中間變量d0、d1和d2初始化為0，并對每個收到的采樣x進行下列計算：
d0 = x + a1*d1 - d2
d2 = d1
d1 = d0

得到足夠多的采樣值以后(采用8khz采樣率時，通常為205個采樣)，用最新計算出的d1和d2值進行下列計算：
p = d12 + d22 - a1 * d1 * d2.

這時，p包含了輸入信號中測試頻率的平方。
要對兩種頻率解碼，我們用兩個濾波器處理每個采樣。每個濾波器都有自己的k值和自己的一組中間變量，每個變量都是16位長，所以，整個算法需要48字節(jié)的中間存儲器空間。

附錄. 訪問maxq系列的數(shù)據(jù)存儲器
可以通過數(shù)據(jù)指針寄存器dp[0]和dp[1]，或者通過幀指針bp(偏移量)訪問數(shù)據(jù)存儲器。當(dāng)其中一個寄存器被設(shè)置為數(shù)據(jù)存儲器的某個位置后，可以使用助記符@dp[0]、@dp[1]或@bp[offs]作為源或目標(biāo)，來讀寫訪問該存儲器位置。
move dp[0], #0000h ; set pointer to location 0000h
move a[0], @dp[0] ; read from data memory
move @dp[0], #55h ; write to data memory

進行一次讀操作后，兩個數(shù)據(jù)指針中的任何一個都可以在操作完成后自動遞增或遞減。此外，任何一個數(shù)據(jù)指針都可以在寫操作之前預(yù)先遞增或遞減。使用下列語法規(guī)則：
move a[0], @dp[0]++ ; increment dp[0] after read
move @++dp[0], a[1] ; increment dp[0] before write
move a[5], @dp[1]-- ; decrement dp[1] after read
move @--dp[1], #00h ; decrement dp[1] before write

因為三個指針共享一個數(shù)據(jù)存儲器讀/寫口，所以用戶要使用特定指針進行數(shù)據(jù)存儲器讀操作前，必須有意識地激活該指針。如下所示，這可以通過使用數(shù)據(jù)指針選擇位(sdps1:0；dpc.1:0)直接實現(xiàn)，或者通過寫dp[n]、bp或offs寄存器間接實現(xiàn)。
使用數(shù)據(jù)指針進行間接存儲器寫操作時會設(shè)置sdps位，這隨后將激活寫指針，作為活動源指針。

move dpc, #2 ; (explicit) selection of fp as the pointer
move dp[1], dp[1] ; (implicit) selection of dp[1]; set sdps1:0=01b
move offs, src ; (implicit) selection of fp; set sdps1=1
move @dp[0], src ; (implicit) selection of dp[0]; set sdps1:0=00b

一旦指針選定后，在發(fā)生下列事件之前該指針一直有效：
源數(shù)據(jù)指針選擇位通過上述直接或間接方法改變(即選用另一個數(shù)據(jù)指針)，或者
活動源數(shù)據(jù)指針?biāo)鶎ぶ返拇鎯ζ鞅皇鼓苡糜谔崛〈a，這是使用指令指針實現(xiàn)的，或者
使用一個當(dāng)前活動源指針之外的另一個數(shù)據(jù)指針進行存儲器寫操作。
move dp[1], dp[1] ; select dp[1] as the active pointer
move dst, @dp[1] ; read from pointer
move @dp[1], src ; write using a data pointer
; dp[0] is needed
move dp[0], dp[0] ; select dp[0] as the active pointer

為簡化數(shù)據(jù)指針的遞增/遞減操作，同時不影響寄存器數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)模塊6內(nèi)的7號寄存器指定為虛擬的nul目標(biāo)，用作位存儲桶。數(shù)據(jù)指針遞增/遞減操作可以通過如下操作完成，而不會改變?nèi)魏纹渌拇嫫鞯膬?nèi)容：
move nul, @dp[0]++ ; increment dp[0]
move nul, @dp[0]-- ; decrement dp[0]