基于微處理器的智能發(fā)射器信號鏈解決方案詳解

當代的現場(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場(chǎng)儀器，用于監控過(guò)程控制變量，例如溫度、流速和壓力等。隨著(zhù)一些處理功能從中心控制室分散到工作現場(chǎng)，此類(lèi)現場(chǎng)設備的智能化程度日益提高。這同時(shí)也增加了智能發(fā)射器信號鏈的復雜性，向最終產(chǎn)品設計提出了新的挑戰。系統設計人員面臨著(zhù)一種直接挑戰，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有效運行的系統。由ADI公司開(kāi)發(fā)并向HART?通信基金會(huì )注冊的一個(gè)示例解決方案專(zhuān)門(mén)用于此類(lèi)設計。

圖1和圖2所示的兩種傳感器常用于智能發(fā)射器設計，其中的主變量取決于輔助變量(例如主變量的溫度補償)。ADuCM360的片內ADC 0測量現場(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則用于測量輔助溫度傳感器信號。

這樣可以實(shí)現主傳感器的溫度補償。與ADC相同，兩個(gè)儀表放大器也集成到ADuCM360上，另外還有激勵電流源、基準電壓源和其他所需模擬電路。所有現場(chǎng)儀表數字功能都由低功耗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，我們需要調節控制器運行的時(shí)鐘頻率，既要維持必需的運行，還要保持在低功耗預算范圍內運行。對于任何微處理器外設/接口的時(shí)鐘信號，同樣也必須達到這些要求。要讓ADuCM360保持在分配的功耗預算范圍內運行，另一個(gè)關(guān)鍵因素是能夠將電源動(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數模轉換器，內置基準電壓源、環(huán)路接口和可編程電壓調節電路，它們都是從環(huán)路獲取低功耗電源，并為自身以及發(fā)射器信號鏈的其他元件供電所必需的。DAC還提供多個(gè)片內診斷功能，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，片內看門(mén)狗定時(shí)器會(huì )在指定時(shí)間長(cháng)度之后，自動(dòng)將DAC模擬輸出設置為3.2 mA“報警”電流。這樣可將現場(chǎng)儀器工作故障這一情況匯報給主機。

最后，AD5700 HART調制解調器和微控制器的UART接口共同實(shí)現智能發(fā)射器設計中的HART(可尋址遠程傳感器高速通道)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)容性分壓器調整至所需幅度，并耦合至DAC的CIN引腳，然后與DAC輸出一同驅動(dòng)和調制輸出電流。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，用作HART解調器的帶通濾波器，同時(shí)增強系統抵抗電磁干擾的能力——這對于穩定工作在惡劣工業(yè)環(huán)境中的應用而言非常重要。HART調制解調器的時(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，可以應對設計環(huán)路供電智能變送器的多方面挑戰，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的市場(chǎng)需求。ADI公司提供的DEMO-AD5700D2Z解決方案可以直接應對這些挑戰，平衡每個(gè)組件所需的功耗分配，從而產(chǎn)生綜合全面的信號鏈，由此滿(mǎn)足現代多功能市場(chǎng)領(lǐng)先型智能發(fā)射器設計在功耗、性能、尺寸和診斷方面的要求。