基于HART協議的高精度溫度控制器設計

? 1 引言

　　隨著控制技術、計算機技術、通信技術的飛速發展以及CIMS（計算機集成制造系統） 的發展需要，促使以現場總線網絡為總體標志的現場總線的技術產生，并且迅速發展，推動 著控制系統結構及自動化儀表邁進到現場總線控制系統和總線化儀表的一代。本文將微處理 技術和HART 協議通信技術引入溫度控制器中，實現了高精度、多功能的可編程兩線制 HART 協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 協議的高精度溫度控制器的電路原理框圖，如圖1。連接HART 協議溫度 控制器的兩條線既是電源線又是4～20mA 輸出（控制）信號線和HART 信號線，對HART 協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AD421 實現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 是采用開關電源原理設計的電源隔離 器，通過DC/DC 給基于HART 協議的溫度控制器信號輸入和A/D 電路供電。使用低驅動電 流的光電隔離器作信號隔離，實現HART 協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，同時實現溫度控制器的低電流消耗要求。

　　電路工作原理是:溫度傳感器信號經濾波送AD7714 放大并轉換為相應的數字信號，經 光耦HP4731 隔離后送入CPU，由CPU 進行線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,環路上的數字通信信號經濾波后送入解調器HT2012，解調信 號通過串行口送入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圖2，以R18、R20 計算為例，由于光耦最小驅動電流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 數據更新完成后,其DRDY 線要送一個觸發高脈沖,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，設原始狀態時，圖中a、 c 和d 點為邏輯低電平；b、e 為高電平，當VI 脈沖到來時，b 點跳到2VCC，隨后放電至 VCC，c、d、e 點不變。當VI 負跳變沿到來時，b、c、d、e 各點翻轉，然后C21 開始放電， 當d 點電位降到反相器轉換電壓值時，反相器狀態轉換，e 點變為高電平，并對C13 充電， 當b 點電位升到反相器轉換電壓值時，反相器狀態轉換,C 點變為低電平，從C 點引出穩態 脈沖。

　　由于AD7714 的DRDY 高脈沖寬度為500×tCLKIN=203.5μs, 所以T3 應小于 203.5μs,T3=-R14C13ln0.5 取R14=200KΩ 求得C13<1.5nf, T2=-R14C13ln0.33=113μs T1=-R13C21ln0.33=TW-T2,因光耦最小響應脈寬為500μs 考慮余量取TW=2.3ms R13 取200KΩ 解得C21=0.00978μf,取C21=0.01μf。

　　3.2 信號輸入電路設計

　　信號輸入部分單偶、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、低通濾波網絡（R1-R6、C3-C8）等組成。穿心電容用于衰減串 入信號線的高頻信號，考慮信號線對地的絕緣強度，選用100P/500V 穿心電容。低通濾波 網絡采用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，電阻阻值為22MΩ。輸入電路還考慮了檢測電阻信號時引線電阻補償 計算。

　　3.3 通信信號濾波電路

　　通信信號濾波電路如圖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 通信信號包含上下半波，為了不引起信號失真，將直流工作點設在Vcc/2 上。由C33、C34、 R24、R27 及D2C 組成二階高通濾波器，設C33=C34=C,R24=R27=RZE 則其傳遞函數為(3) 式。

　　取(4)分母字模等于v2 可求得截止頻率為0.37/2πRC,根據HART 信號特點,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C22=R、C30=C，則其截止 頻率為1/2πRC,HART 通信中一般取2500Hz。

　根據技術指標要求，基于HART 協議的溫度控制器應是本質安全的，所以電路中所有 大的儲能元件上都應加限壓或限流保護元件，以達到本安指標要求。在可靠性設計方面重點 采用了降額設計技術,使大多數元器件的實際工作應力都≤0.1。

　　4 基于HART 協議的溫度控制器的軟件實現

　　溫度控制器軟件的開發是建立在對 HART 協議數據鏈路層、應用層研究基礎上，并結 合溫度控制器自身功能的要求以及硬件電路的連接進行的。實現溫度控制器，除考慮硬件設 計外，軟件設計是另一重要方面，根據溫度控制器的功能要求和技術指標，軟件設計的主要 內容有：

　　a、根據HART 協議規范，完成從設備數據鏈路層、應用層以及層間接口程序實現HART 通信鏈路連接，鏈路仲裁，信號接收、識別、響應和發送。

　　b、要考慮信號采集補償、線性化處理和輸出。

　　c、根據器件接口完成接口程序。

　　d、實現故障識別和報警、本地調試和顯示。

　　軟件工作原理如圖5 所示，主要分為三個部分，一部分是信號的采集和輸出；一部分是 HART 通信信號到來，進入中斷，識別和響應通信信號，包含數據鏈路層、應用層和層間接 口等部分程序；另一部分是當有按鍵按下，進行本地參數組態。

　　本文作者創新點:

　　基于HART 協議的高精度溫度控制器，與傳統的現場儀表或智能現場儀表相比，在功 能上發生了飛躍，即增加了雙向數字通信的功能，使溫度控制器以其眾多優點，在工業過程 控制系統、儀表管理系統以及這兩個系統并存的網絡中，有著良好的應用前景。