基于HART协议的智能温度变送器设计

张晓东　童少为

【摘 要】根据石油化工厂的实际需要，研制了一种支持HART协议的智能型温度变送器，采用高性能单片计算机C8051F410和HART调制解调芯片作为核心部件;供电电路与信号调理电路设计独特。整体电路结构简单、成本低廉，性价比高。

【关键词】HART协议;低功耗;智能温度变送器

中图分类号： TP21文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）34-0026-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.008

Design of Intelligent Temperature Transmitter Based on HART Protocol

ZHANG Xiao-dong TONG Shao-wei

（College of Information of Engineering，Jilin Institue of Chemical Technology， Jilin Jilin 132022， China）

【Abstract】According to the actual needs of petrochemical plants， an intelligent temperature transmitter based on HART protocol was developed. High-performance single-chip computer C8051F410 and HART modulation chip were adopted as the central controller. The power supply circuit and a signal modulation circuit had been designed specifically. The transmitter had simple structure， and had high precision， lower cost， and high reliability.

【Key words】HART Protocol; Low Power consumption; Intelligent Temperature Transmitter

0 引言

HART是現场变送器的主要数字通讯方式之一，HART协议仪表广泛应用于现代工业控制系统中。在变送器的设计中，由于其功能所制约，既要在3.5毫安以下解决仪表供电问题，同时还要进行二线制变送、信号调理、运算和就地显示;使用环境因素限制了电路体积，本安防爆限制整个电路内能量累计，室外工作要求电路要能工作在天气极限高低温条件下，因此整体变送器电路结构复杂。随着电子技术和计算机技术的发展，低功耗、高性能、宽温芯片的出现，使得变送器的设计相对简单了许多，成本也降低了很多。智能化、低成本、功能强是仪表设计的主要方向。本设计采用高性能单片计算机C8051F410和HART调制解调芯片，加上独特的供电电路与信号调理电路设计，使得整体电路结构简单、成本低廉，性价比高。

1 系统整体设计及主要技术指标

本仪器主要分成四部分进行设计：回路供电及4-20MA电流环输出;信号调理及单片机的运算输出;HART通讯;显示与参数设置。

整体电路如图1所示。

供电电路提供工作电流3.5毫安、工作电压3.3V的恒压、恒流，为变送器所有电路提供电源。

热电阻信号调理部分向传感器提供恒流激励，并且将传感器的输出电压经适当的滤波后引入到A/D转换器的模拟输入接口;A/D转换部分对传感器输出的信号放大后，转换为数字量供MCU使用; MCU对电压信号进行线性化和补偿处理，得到待测量的温度值。

HART通信模块由HART调制解调器和D/A转换器及外围电路组成，D/A输出部分完成电压到环路电流的转换，将MCU输出的数字量转换成相应的4～20 mA电流信号;HART调制解调器接收叠加在4～20 mA电流+-0.5mA调制信号，将检测到的FSK数字信号解调，通过串口通信传给MCU，MCU产生的应答帧数字信号通过HART调制解调器调制成FSK频移键控信号，叠加在4～20mA电流信号上发送出去。

参数显示与设置部分由段式液晶显示器和微动按键组成，用于变送器参数和显示设置。

主要技术指标如下：

供电电压：9～32VDC。

使用环境温度：-40～85度。

仪器全量程精度：0.5级。

2 硬件设计

2.1 回路供电电路及4-20MA电流环设计

为了完成智能变送器工作电压9～32VDC供电与工作电流3.5-22 Ma要求，电源设计使用微功耗OPA244运算放大器，放大器允许工作电压高达36V，功耗只有35微安运放，配合并联型参考源，设计出一个提供工作电流3.5毫安、工作电压3.3V的恒压、恒流电路，为变送器所有电路提供电源，保证变送器自身工作电流变化不会影响变送器电流输出。

由于运放本身静态功耗35UA，反馈电流耗掉33UA，参考源最低静态电流10UA，因此实际能给变送器其他部分提供的电流为3.4MA，如果变送器其他部分使用电流小于3.4MA，多余电流通过参考源流出，如果电流大于3.4Ma，电路失效，因此，所有变送器其他电路设计要保证总电流小于3.4毫安，变送器输出的与传感器信号相对应的电流信号由单片机DA输出控制TLV2252、T31、T32组成的恒流输出电路实现，为了保证仪表输出精度，电流输出驱动部分采用达林顿结构，电流放大倍数达万倍以上，忽略由于基极电流流出对仪表输出精度的影响。

2.2 信号调理及单片机电路设计

热电阻信号调理部分使用TLV2252低供耗轨到轨运算放大器，差动放大电路解决了热电阻导线引线电阻对热电阻测量温度的影响，为了尽可能提高后续单片机内AD转换器使用效率，在电路中添加了去零点电阻R19，让R19电阻值等于仪表最小量程时热电阻阻值，这样，放大器电压输出只和温度变化对热电阻阻值变化相关，提高了AD转换器使用效率，V=KI（RT-R19），热电阻激励恒流源有C8051F410提供，C8051F410能提供0.25、0.5、1、2毫安多量程恒流源，为了减少功耗，选用0.5毫安做热电阻激励恒流源。C8051F410单片机工作在内部时钟191406点上，也是C8051F410上电约定工作频率点，在此点工作频率下，不开外设，耗电200UA，开设AD和0.5和0.25毫安两路DA，整体电流供耗小于2毫安。

由于恒流源由C8051F410单片机提供，恒流大小可变，在实际使用中可根据实际情况自动调整恒流大小，使调理电路输出和AD 转换輸入量程相匹配，提高AD转换效率，AD转化器转化速度为200KPS，使用过采样技术可适当提高AD转换精度，本设计内部过采样时AD转换精度达到13位稳定输出。为了补偿仪表受温度的影响，使用单片机内部自带温度传感器对仪表整体做温度补偿。单片机内带看门狗电路、内带可再线编程FALSH，省掉了仪表设计必须的看门狗和参数掉电防止丢失电路。

2.3 HART电路设计

HART协议通讯电路使用MAXIM公司的DS8500芯片，极低的微安及功耗使其可以忽略功耗对整体电路设计的影响，输入信号通过阻容隔离滤波电路直接引入芯片，输出部分通过阻容隔直及阻抗匹配耦合到电流输出电路输入端，完成HART通讯电路设计。

2.4 显示与键盘控制电路设计

显示电路使用HT1621控制器，控制段式液晶显示器，为了使变送器在没有HATR手持编程器时能够对变送器设置，在前面板增装了3个微动按键，用来设置参数，液晶显示电路耗电约500微安，为了方便变送器夜间使用，液晶显示使用了背光，考虑到耗能要求，本设计使用4～20毫安电路环驱动液晶背光。

3 软件设计

软件主要完成如下几个方面操作：

数据采集、存储、运算，信号的自校准运算、HART通讯协议、变送输出、液晶显示及键盘操作等内容，程序框图见图2。

4 结束语

整个电路设计简单，充分利用了C8051F410所带资源，成本造价极低，在设计中控制大电感电容的使用，为后续本安设计提供基础。

【参考文献】

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