基于HART協(xié)議的高溫度控制器設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于HART協(xié)議的高溫度控制器設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：本文論述了將微處理技術(shù)和HART協(xié)議通信技術(shù)引入溫度控制器中,實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制器的信號(hào)補(bǔ)償、自適應(yīng)校正、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。本文首先從硬件方面分析和論述了基于HART協(xié)議的高精度溫度控制器的溫度采集控制電路設(shè)計(jì)、信號(hào)隔離(光耦與脈寬展寬)電路設(shè)計(jì)、信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)與通信信號(hào)濾波電路設(shè)計(jì),簡(jiǎn)單介紹了軟件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)。

1引言

隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）的發(fā)展需要，促使以現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)為總體標(biāo)志的現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)產(chǎn)生，并且迅速發(fā)展，推動(dòng)著控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及自動(dòng)化儀表邁進(jìn)到現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(hào)線和HART信號(hào)線，對(duì)HART協(xié)議溫度控制器供電的電流被限制在4mA以下（報(bào)警情況為3.6mA），4mA以上部分為信號(hào)。

采用AD公司生產(chǎn)AD421實(shí)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(kāi)關(guān)電源原理設(shè)計(jì)的電源隔離器，通過(guò)DC/DC給基于HART協(xié)議的溫度控制器信號(hào)輸入和A/D電路供電。使用低驅(qū)動(dòng)電流的光電隔離器作信號(hào)隔離，實(shí)現(xiàn)HART協(xié)議溫度控制器傳感器小信號(hào)輸入與輸出信號(hào)和外部電源隔離，同時(shí)實(shí)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(hào)經(jīng)濾波送AD7714放大并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，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(hào)經(jīng)濾波后送入解調(diào)器HT2022，解調(diào)信號(hào)通過(guò)串行口送入CPU。然后CPU送出相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)到HT2022調(diào)制成HART數(shù)字信號(hào)，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(hào)，并疊加到4-20mA直流信號(hào)上。

3硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1信號(hào)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(jiàn)圖2，以R18、R20計(jì)算為例，由于光耦驅(qū)動(dòng)電流IF=40μA,所以按式(1),(2)求解。

考慮壞情況及余量取R18=62KΩ,同理取R17=62KΩ。

R15,R16,R21,R22的計(jì)算類(lèi)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(gè)觸發(fā)高脈沖,其寬度為203.5μs,而光耦響應(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(shí)，圖中a、c和d點(diǎn)為邏輯低電平；b、e為高電平，當(dāng)VI脈沖到來(lái)時(shí)，b點(diǎn)跳到2VCC，隨后放電至VCC，c、d、e點(diǎn)不變。當(dāng)VI負(fù)跳變沿到來(lái)時(shí)，b、c、d、e各點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，然后C21開(kāi)始放電，當(dāng)d點(diǎn)電位降到反相器轉(zhuǎn)換電壓值時(shí)，反相器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，e點(diǎn)變?yōu)楦唠娖剑?duì)C13充電，當(dāng)b點(diǎn)電位升到反相器轉(zhuǎn)換電壓值時(shí)，反相器狀態(tài)轉(zhuǎn)換,C點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?，從C點(diǎn)引出穩(wěn)態(tài)脈沖。

由于AD7714的DRDY高脈沖寬度為500×tCLKIN=203.5μs,所以T3應(yīng)小于203.5μs,T3=-R14C13ln0.5取R14=200KΩ求得C131.5nf,T2=-R14C13ln0.33=113μsT1=-R13C21ln0.33=TW-T2,因光耦響應(yīng)脈寬為500μs考慮余量取TW=2.3msR13取200KΩ解得C21=0.00978μf,取C21=0.01μf。

3.2信號(hào)輸入電路設(shè)計(jì)

信號(hào)輸入部分單偶、雙偶、雙阻、兩線制熱阻、三線制熱阻、四線制熱阻的連接，由高頻旁路穿心電容、恒流源、低通濾波網(wǎng)絡(luò)（R1-R6、C3-C8）等組成。穿心電容用于衰減串入信號(hào)線的高頻信號(hào)，考慮信號(hào)線對(duì)地的絕緣強(qiáng)度，選用100P/500V穿心電容。低通濾波網(wǎng)絡(luò)采用RC濾波，考慮AD7714輸入阻抗要求，R選用1.1K、C選用0.1μf。R9、R10用作傳感器斷線檢測(cè)，電阻阻值為22MΩ。輸入電路還考慮了檢測(cè)電阻信號(hào)時(shí)引線電阻補(bǔ)償計(jì)算。

3.3通信信號(hào)濾波電路

通信信號(hào)濾波電路如圖4。濾波電路由高通和低通濾波器組成帶通濾波器，考慮到HART通信信號(hào)包含上下半波，為了不引起信號(hào)失真，將直流工作點(diǎn)設(shè)在Vcc/2上。由C33、C34、R24、R27及D2C組成二階高通濾波器，設(shè)C33=C34=C,R24=R27=RZE則其傳遞函數(shù)為(3)式。

取(4)分母字模等于v2可求得截止頻率為0.37/2πRC,根據(jù)HART信號(hào)特點(diǎn),高通截止頻率一般取600Hz。由R22、R23、C30和D2B組成一階低通濾波器，設(shè)C22=R、C30=C，則其截止頻率為1/2πRC,HART通信中一般取2500Hz。

圖4通信信號(hào)濾波電路

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，基于HART協(xié)議的溫度控制器應(yīng)是本質(zhì)安全的，所以電路中所有大的儲(chǔ)能元件上都應(yīng)加限壓或限流保護(hù)元件，以達(dá)到本安指標(biāo)要求。在可靠性設(shè)計(jì)方面重點(diǎn)采用了降額設(shè)計(jì)技術(shù),使大多數(shù)元器件的實(shí)際工作應(yīng)力都≤0.1。

4基于HART協(xié)議的溫度控制器的軟件實(shí)現(xiàn)

溫度控制器軟件的開(kāi)發(fā)是建立在對(duì)HART協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層研究基礎(chǔ)上，并結(jié)合溫度控制器自身功能的要求以及硬件電路的連接進(jìn)行的。實(shí)現(xiàn)溫度控制器，除考慮硬件設(shè)計(jì)外，軟件設(shè)計(jì)是另一重要方面，根據(jù)溫度控制器的功能要求和技術(shù)指標(biāo)，軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：

a、根據(jù)HART協(xié)議規(guī)范，完成從設(shè)備數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層以及層間接口程序?qū)崿F(xiàn)HART通信鏈路連接，鏈路仲裁，信號(hào)接收、識(shí)別、響應(yīng)和發(fā)送。

b、要考慮信號(hào)采集補(bǔ)償、線性化處理和輸出。

c、根據(jù)器件接口完成接口程序。

d、實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和報(bào)警、本地調(diào)試和顯示。

軟件工作原理如圖5所示，主要分為三個(gè)部分，一部分是信號(hào)的采集和輸出；一部分是HART通信信號(hào)到來(lái)，進(jìn)入中斷，識(shí)別和響應(yīng)通信信號(hào)，包含數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和層間接口等部分程序；另一部分是當(dāng)有按鍵按下，進(jìn)行本地參數(shù)組態(tài)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):

基于HART協(xié)議的高精度溫度控制器，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表或智能現(xiàn)場(chǎng)儀表相比，在功能上發(fā)生了飛躍，即增加了雙向數(shù)字通信的功能，使溫度控制器以其眾多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)、儀表管理系統(tǒng)以及這兩個(gè)系統(tǒng)并存的網(wǎng)絡(luò)中，有著良好的應(yīng)用前景。

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