基于HART協(xié)議的高精度溫度控制器設計

　1 引言

　　隨著(zhù)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） 的發(fā)展需要，促使以現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為總體標志的現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)產(chǎn)生，并且迅速發(fā)展，推動(dòng) 著(zhù)控制系統結構及自動(dòng)化儀表邁進(jìn)到現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統和總線(xiàn)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)現了高精度、多功能的可編程兩線(xiàn)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(xiàn)既是電源線(xiàn)又是4～20mA 輸出（控制）信號線(xiàn)和HART 信號線(xiàn)，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(shí)現A/D、V/I 功能，AD421 是一款低功耗多功能芯片，其內部集成有16 位A/D 及V/I 和電壓調整電路。DC/DC 是采用開(kāi)關(guān)電源原理設計的電源隔離 器，通過(guò)DC/DC 給基于HART 協(xié)議的溫度控制器信號輸入和A/D 電路供電。使用低驅動(dòng)電 流的光電隔離器作信號隔離，實(shí)現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(shí)實(shí)現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 放大并轉換為相應的數字信號，經(jīng) 光耦HP4731 隔離后送入CPU，由CPU 進(jìn)行線(xiàn)性化及校正處理后送AD421 轉換為相應的 4-20mA 標準電流輸出。另外,環(huán)路上的數字通信信號經(jīng)濾波后送入解調器HT2012，解調信 號通過(guò)串行口送入CPU。然后CPU 送出相應的應答信號到HT2012 調制成HART 數字信號， 經(jīng)整形后控制V/I 轉換電路轉換成相應的數字信號，并疊加到4-20mA 直流信號上。

　　3 硬件電路詳細設計

　　3.1 信號隔離及光耦外圍參數確定

　　A/D 轉換器與CPU 信息交換采用光耦隔離。

　　1) 光耦外圍參數確定見(jiàn)圖2，以R18、R20 計算為例，由于光耦最小驅動(dòng)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(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A(yíng)D7714 數據更新完成后,其DRDY 線(xiàn)要送一個(gè)觸發(fā)高脈沖,其寬度為203.5μs,而光 耦最小響應脈寬為500μs,因而必須設置脈寬展寬電路。原理分析，設原始狀態(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VI 負跳變沿到來(lái)時(shí)，b、c、d、e 各點(diǎn)翻轉，然后C21 開(kāi)始放電， 當d 點(diǎn)電位降到反相器轉換電壓值時(shí)，反相器狀態(tài)轉換，e 點(diǎn)變?yōu)楦唠娖?，并對C13 充電， 當b 點(diǎn)電位升到反相器轉換電壓值時(shí)，反相器狀態(tài)轉換,C 點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?，從C 點(diǎn)引出穩態(tài) 脈沖。