基于HART的电流环路校准器的设计与实现

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

现场总线是过程控制领域的重要部分 HART协义作为-个开放性的协议，也是现场总线的--种，已成为智能仪表的事实上的标准。HART协议将标准模拟信号(4～20mA)与数字信号技术结合，主要的变量和控制信息以4 20mA传送，在需要的情况下，其他的测量、过程参数、设备组态、校准及诊断信息通过HART 议访问。4～20mA电流环广泛用于过程控制自动化系统中的通信。4～20mA电流环路是在过程控制应用中发送传感器信息的--种基本方法，也可以作为控制阀门开度的信号。传感器是-种用来测量温度、压力、速度和流体流动等物理量参数的器件。本文所介绍的基于HART协议的电流环路校准器的设计与实现，主要应用于测试和校准通过4～20mA电流环路标准通信的系统。

l 系统框图与原理拈化设计准则就是将整个电路系统分割成几个功能相对独立而又相互联系的拈 ]。本设计的系统采用模块化设计，由输入键盘和显示液晶组成的人机交互拈、微控制器为主的中央处理拈、D/A和HART电路组成的通讯拈、A/D采样拈等组成，见图1。协调好各个拈之间的关系后，各个拈可以分别独立进行设计、调试。这样整个系统易于维护、修改和扩充。本系统的工作原理是：由输入键盘和显示液晶组成人机界面，对校准器进行模式24 EIC Vo1.20 2013 No.1设 置；微控制器处理外部控制指令，控制A/D采样电路 部分进行数据采集，对采集数据进行分析计算，计算得到相关的校准数据，通过通讯部分将校 数据写入仪表 、I)/A和HART通讯部分负责校准器在不同模式下分别提供电流源和电压源。A/D采样拈将电流信号数据采集交给傲控制器进行计算和处理。

图1 磊于HART的电流环路校准器2 硬件设计2.1 微控制器和键盘、显示电路本设计使用M30626微控制器控制系统。M30626采川高性能硅栅CMOS工艺，既有高性能指令义有高效率指令，具备1M字节的地址空间和快速执行指令的能力。本设计采用1o0引脚、QFP塑封的芯片。选择这种微控制器的理由是其性能稳定可靠，适合工业应用。它具有足够多的输入/输出端口用于显示液晶、输入键盘，有-个10位八通道的 器 麦用模拟/数字转换器(ADC)。

输入键盘采用I/0口中断，硬件按键电路见图2，采用j按键的接口形式。由于LCD功耗较低且可达到较佳的人机对话效果，所以选用它作为显示器件 。显示液晶采用12位8段液晶显示拈LCM12TJ，3-4线串行接口。具有鲜明的低功耗特性 ：显示状态50uA(典型值)，省电模式<1uA，工作电压2.7V-5.2V，视角对比度可调，显示清晰，稳定可靠，使用编程简单。

接微处理器I/O口图2 硬件按键电路2.2 AID采集电路- 般传感器或检测电路输出的直流电压信号幅值较小，有些甚至很微弱，不适合直接接入AID转换器，常常需要先进行放大等处理l4]。在本设计中为了实现电流测量，电流需要流经-个阻值非常小的电阻，然后对这个电阻j-的电压进行测量。在电流测量期间，需将电流测量设备串接到电路。因此可以预见的是，设备内部的阻抗不会影响到电路，或者至少这个阻抗的影响是可以忽略的。本设计中的电流电压转换使用电阻的值是6Q。作为使用低值电阻的结果，在最大电流值时获得的电压值也是非常小的，20mA电流计算结果是0.12伏。所以要先进行放大等处理。

把弱小的直流电压信号放大到与AID转换器输入电压相匹配是数据采集经常会遇到的问题。为了将这个低电压提升No～3V范围，我们用MAX4163设计了-个同相放大器电路，见图3。该芯片具有很强的共模抑制能力、很高的输入阻抗、很好的线性度、温度稳定性和时间稳定性。

Cl图3 同相运算放大器传感器输出的信号多为模拟信号，在以微型计算机为核心的数据采集及控制系统中，必须将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，为此要使用模/数转换器(简称A/D转换器或ADC) ]。本设计方案使用的模/数转换芯片是AD7799。AD7799是ANALOG DEVICES公司高精度、宽动态范围的24位∑-8结构的模/数转换器，采用单-的5v供电，∑-8结构用在宽动态范围中并保证具有24位无损失欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息日 遮 感墨日码，当数据传输率达20KHz时，仍能得到19位的有效分辨率。

2.3 D/A转换电路与HART通讯电路基于HART协议的电流环路校准器将数字信号转换为4～20mA电流信号，而且将数字频率信号转换为±0.5mA的频率信号，叠加在两线制的4-20mA电流环上。本设计选用了美国AD公司的产品AD421，它与HART协议兼容，开关电流源和滤波器功能块可实现HART电压信号向±0.5mA电流信号的转换，应用十分方便。

AD421的基本性能有：4-20mA输出；HART兼容，能用于标准HART FSK协议通讯；16位分辨率；±0.01%积分非线性；3V、3.3V或5V可调电压输出及2.5V和1.25V精度参考，用于自身和系统其它器件；e5V供电时，750uA最大静态电流，典型值为575uA；可编程报警电流功能，允许发出电流超范围警报，以表示转换器故障；灵活的高速串行接口。

2.4 PCB设计和电磁兼容硬件电路设计后要进行印制电路板设计并考虑电磁兼容问题，还要考虑导线、走线 、固定架等看似不起 眼的组件。元器件采购时要考虑电磁兼容问题。元器件布局方面，应把相关的元器件尽量放得靠近，这样可以获得较好的抗干扰效果。印制电路板是基础的单元l6，是设计的-个非常重要的环节。

3 软件设计本次设计的设备有两种模式：电流源模式 ，产生大小由用户输入的电流；测量模式，读取外部电流环路检测到的电流。在电流源模式中，从键盘输入的电流信息被送往微控制器并通过解码分析，由微控制器通过SPI通讯发送NDAC，然后产生4～20mA范围内的目标电流值。测量模式中，连接输入端的外部电流环值显示在LCD指示器上。

软件流程设计如图4所示。系统开始工作，选择工作模式，电流源模式对应阀门定位器类仪表的电流校准，测量模式对应压力变送器类仪表的电流校准。电流源模式下通过键盘输入电流值，产生相应的控制电流，再通过HART通讯把实际控制电流的值传输到仪表，仪表根据指令进行计算得到需要的校准参数，并将校准数据进行存储。之后操作界面提示用户进行下-步操作的选择，可以在电流源模式下进行校准下-台仪表，或者返回上-级重新进行选择工作模式。测量模式下输入电流值，通过HART通讯向仪表发出输出固定电流的命令，之后对回路电流进行采集，将采集的数据进行数字滤波，通过HART通讯将电流值传给仪表，仪表根据指令进行计算得到需要的校准参数，同样将校准数据进行存储。存储后操作界面提示用户进行下-步操作的选择，可以在测量模式下进行校准下-台仪表，或者返回上-级重新进行选择工作模式。

软件采用C语言编程，C语言是理想的结构化语言，具有很好的描述能力，特点是：可移植性好，硬件控制能力高，表达和运算能力强 。

(转第16页)EIC Vo1.20 2013 No.1 25日 拯告日余度，为旅大10-1CEPWHPA平台在后来的大幅度提产改造中增加控制仪表带来了巨大的便利，同时也节省了增加铺设电缆等所需的费用。

3 结束语从系统和现场设备全生命周期的角度来衡量，应用现场总线技术可以节约维护成本、增加控制系统的可靠性。

现场总线技术为中控系统的控制策略提供了更好的解决方案，提供更好的基础平台。随着现场总线仪表的丰富，各种现场总线技术在海上采油平台的控制系统中都有很好的应用前景。应结合旅大项 目的使用经验，在大型项目巾推广使用，不断提高管理水平，减少操作费用。

另-方面，受到目前施工成本和现场总线技术在海油平台中控系统中可应用的范围等因素的制约，海上平台控制点相对较少，由现场总线技术带来的工程成本节约效应在目前阶段没有凸现出来。在工程设计方面，现场总线设计的工作量和复杂程度比传统系统也大些。在目前对中控系统的需求条件下，应用现场总线技术相比传统中控系统技术没有体现 绝对优势。希望伴随着现场总线设备费用器 麦和施工成本的下降，可以将现场总线更多地应用于海油平台中控系统中≮