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基于微处理器的智能发射器信号链解决方案详解

文章出处:网络整理 发布时间: 2017/12/07 | 98 次阅读

当代的现场仪器,也就是众所周知的智能发射器,是基于微处理器的智能现场仪器,用于监控过程控制变量,例如温度、流速和压力等。随着一些处理功能从中心控制室分散到工作现场,此类现场设备的智能化程度日益提高。这同时也增加了智能发射器信号链的复杂性,向最终产品设计提出了新的挑战。系统设计人员面临着一种直接挑战,也就是既要融合额外的智能、功能和诊断能力,同时又要开发出能够在4-20mA的环路所提供的有限功率范围内有效运行的系统。由ADI公司开发并向HART?通信基金会注册的一个示例解决方案专门用于此类设计。

 

图1. 智能发射器信号链

 

图2. 支持HART的智能发射器演示方案框图

图1和图2所示的两种传感器常用于智能发射器设计,其中的主变量取决于辅助变量(例如主变量的温度补偿)。ADuCM360的片内ADC 0测量现场仪表的主传感器:在本例中,它是电阻电桥压力传感器,而ADC 1则用于测量辅助温度传感器信号。

这样可以实现主传感器的温度补偿。与ADC相同,两个仪表放大器也集成到ADuCM360上,另外还有激励电流源、基准电压源和其他所需模拟电路。所有现场仪表数字功能都由低功耗32位ARM Cortex?-M3 RISC处理器提供。微控制器是一个复杂元件,可能需要很大功率,所以每毫瓦功率能够完成的处理越多越好。因此,我们需要调节控制器运行的时钟频率,既要维持必需的运行,还要保持在低功耗预算范围内运行。对于任何微处理器外设/接口的时钟信号,同样也必须达到这些要求。要让ADuCM360保持在分配的功耗预算范围内运行,另一个关键因素是能够将电源动态切换到各个模块。这种电源门控功能确保每个功能模块需要电源时为其提供电源,但特定功能模块关闭时,则会关闭其电源。

除了处理测量之外,ADuCM360还用于控制DAC,再由DAC控制环路电流。AD5421是一款完整的环路供电型4 mA-20 mA数模转换器,内置基准电压源、环路接口和可编程电压调节电路,它们都是从环路获取低功耗电源,并为自身以及发射器信号链的其他元件供电所必需的。DAC还提供多个片内诊断功能,所有这些功能都可由微控制器配置和读取,但也可以自主工作。例如,如果微控制器和DAC之间的通信失败,片内看门狗定时器会在指定时间长度之后,自动将DAC模拟输出设置为3.2 mA“报警”电流。这样可将现场仪器工作故障这一情况汇报给主机。

最后,AD5700 HART调制解调器和微控制器的UART接口共同实现智能发射器设计中的HART(可寻址远程传感器高速通道)通信,并在读取仪器的进程和诊断信息方面发挥重要作用。HART输出通过容性分压器调整至所需幅度,并耦合至DAC的CIN引脚,然后与DAC输出一同驱动和调制输出电流。HART输入通过简单无源RC滤波器从LOOP+耦合。RC滤波器作为第一级,用作HART解调器的带通滤波器,同时增强系统抵抗电磁干扰的能力——这对于稳定工作在恶劣工业环境中的应用而言非常重要。HART调制解调器的时钟由片上低功耗振荡器生成,具有3.8664 MHz外部晶振,使用两个8.2 pF接地电容,直接连接到XTAL引脚。此配置使用可能最低的功率。

 

图3. 支持HART的智能发射器演示系统

 

总而言之,以上所述电路演示了一种可能解决方案,可以应对设计环路供电智能变送器的多方面挑战,以满足不断增长的市场需求。ADI公司提供的DEMO-AD5700D2Z解决方案可以直接应对这些挑战,平衡每个组件所需的功耗分配,从而产生综合全面的信号链,由此满足现代多功能市场领先型智能发射器设计在功耗、性能、尺寸和诊断方面的要求。

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