基于MAXQ構(gòu)建增強(qiáng)型智能4-20mA變送器
簡(jiǎn)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(yuǎn)端接收器將4-20ma電流又轉(zhuǎn)換為電壓,利用計(jì)算機(jī)或顯示模塊做進(jìn)一步處理。
典型的4-20ma電流環(huán)電路包括四個(gè)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(dòng)電壓-電流轉(zhuǎn)換器,其他三個(gè)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(gè)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的器件,該器件感測(cè)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(yuǎn)端信號(hào)。
智能型變送器可以對(duì)增益和失調(diào)進(jìn)行校準(zhǔn),通過將傳感器模擬信號(hào)數(shù)字化(如rtd傳感器和熱電偶)實(shí)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(hào),再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào),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(rèn)為是“增強(qiáng)型智能”變送器。它們?cè)黾恿伺c4-20ma信號(hào)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(shí),還可傳輸控制和診斷信號(hào)。
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(hào)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(hào)上,同時(shí)提供模擬和數(shù)字通信(圖3)。
因?yàn)閒sk信號(hào)的平均值始終為零,4-20ma模擬信號(hào)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(huì)妨礙模擬信號(hào)。允許的最小環(huán)路阻抗為23。
4-20ma增強(qiáng)型智能變送器對(duì)μc的基本要求
要實(shí)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?yàn)殡娏黝A(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(hào)的數(shù)字濾波,又同時(shí)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(shí)鐘管理方案只對(duì)當(dāng)前使用的模塊提供時(shí)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(gè)模塊提供時(shí)鐘。這一技術(shù)降低了功耗和開關(guān)噪聲。
