基于MAXQ微控制器构建增强型智能4

1、基于maxq微控制器构建增强型智能4在环路中，的输出首先按比例转换成电流，普通4ma表示传感器的零电平输出，20ma表示满量程输出。远端接收器将4-20ma电流又转换为电压，利用计算机或显示模块做进一步处理。典型的4-20ma电流环包括四个部分：传感器/变送器、电压-电流转换器、环路电源和接收器/监视器。在环路供电的应用中，传感器驱动电压-电流转换器，其他三个部分串联衔接，构成闭环回路(图1)。图1. 4-20ma环路供电电路框图智能型4-20ma变送器传统上，4-20ma变送器包括一个安装在现场的器件，该器件感测物理参数并产生4-20ma标准范围内的比例电流。为适应工业需求，浮现了称作“智能

2、型变送器”的其次代4-20ma变送器，这种变送器采纳微控制器(c)和数据转换器调理远端信号。智能型变送器可以对增益和失调举行校准，通过将传感器模拟信号数字化(如rtd传感器和热电偶)实现线性化处理，用驻留在c内部的数学算法处理信号，再将数字信号转换回模拟信号，结果以标准电流的形式沿环路传输。最新的第三代4-20ma变送器(图2)被认为是“增加型智能”变送器。它们增强了与4-20ma信号分享双绞线的数字通信功能。所提供的通信通道在传输传感器数据的同时，还可传输控制和诊断信号。图2. 4-20ma增加型智能变送器框图智能型变送器所用法的通信标准是hart协议，该协议基于bell 202电话通信标准

3、，采纳频移键控(fsk)方式。其数字信号1和0分离由1200hz和2200hz频率表示。这些频率的正弦波叠加在传感器的直流模拟信号上，同时提供模拟和数字通信(图3)。图3. 模拟和数字信号同时通信由于fsk信号的平均值始终为零，4-20ma模拟信号在此过程中不受影响。数字状态每秒钟可以转换两到三次，而不会阻碍模拟信号。允许的最小环路阻抗为23。4-20ma增加型智能变送器对c的基本要求要实现这种4-20ma电流环路应用，c必需具备三种特定性能：串行接口，衔接用于数据采集的和用于设置环路电流的。由于电流预算为4ma，所以要求低功耗。乘法-累加单元(mac)，既完成输入信号的数字滤波，又同时编码和

4、解码hart协议中的两种频率。挑选cmaxq系列risc c具备上述全部必须的功能(图4)。图4. maxq c架构框图模拟功能maxq c包含若干模拟功能。采纳的时钟管理计划只对当前用法的模块提供时钟。例如，假如一条命令用到数据指针(dp)和算术规律单元(alu)，那么只给这两个模块提供时钟。这一技术降低了功耗和开关噪声。低功耗maxq c具有先进的功能，通过动态地将c处理速度与需要的性能水平相匹配，可使功耗降至最低。例如，工作量削减的状况下，功耗较低。要投入更多的处理能力时，c就需要提高工作频率。软件可选的时钟分频操作，允许灵便地挑选1、2、4或8个周期作为一个系统时钟周期。通过软件实现这

5、一功能，因此c在不需要增强额外硬件成本的状况下即可进入低功耗状态。还可为那些对功耗极其敏感的应用提供另外三种低功耗模式：pmm1: 256分频电源管理模式pmm2: 32khz电源管理模式(pmme = 1，其中pmme是系统时钟控制寄存器的第2位)停止模式(stop = 1)在pmm1模式下，一个系统时钟周期等于256个振荡器周期，c降速工作，从而大大降低了功耗。在pmm2模式下，器件以32khz振荡器作为时钟源，工作速度更低。使能的中断源发生中断时，可选的时钟返回功能可使器件迅速退出电源管理模式，并返回到更快的内部时钟频率上。这些使能的中断源可以是外部中断、uart和spi模块。全部这些功

6、能使maxq c的处理能力达到3/ma，性能远远超出最临近的其它处理器(图5)。图5. maxq与其他竞争产品的mips/ma性能比较。信号滤波处理maxq c内部的mac完成4-20ma应用所需的信号处理功能。模拟信号输入到adc，在数字域滤波采样流。用以下等式可实现通用滤波功能：yn = bixn-i + aiyn-i式中，bi和ai分离表征系统的前馈和反馈响应特性。按照ai和bi的不同取值，数字可分为有限长冲激响应型(fir)或无限长冲 激响应型(iir)。当系统不包含反馈(全部ai = 0)时，滤波器为fir型：yn = bixn-i然而，假如ai和bi都不为零，则滤波器是iir型。从

7、上面的fir滤波器方程可以看出，主要的数学运算是将各输入采样乘以一个常数，然后将n个乘堆积加。下面这段c程序可解释该运算：yn=0;for(i=0; iyn += x i * b imaxq c的mac需要4 + 5n个周期完成此运算，代码空间惟独9个字(而传统c和mac需要12个字)。move dp0, x ; dp0 - x0move dp, b ; dp - b0move lc0, loop_cnt ; lc0 - number of samplesmove mcnt, init_mac   initialize mac unitmac_loop:move dp0, d

8、p0 ; activate dp0move ma, dp0+ ; get sample into macmove dp, dp ; activate dpmove mb, dp+ ; get coeff into mac and multiplydjnz lc0, mac_loop.(maxq架构的数据存储器拜访详情参见附录)。注重：在maxq的mac中，装入其次个操作数时，自动执行被哀求的操作，运算结果存入mc寄存器。还须注重：溢出前，mc寄存器宽度(40位)可以累加大量的32位乘法结果。该功能是对传统办法的改进，传统办法在每次基本操作后都要验证是否溢出。maxq2000 c的独特性能低功耗

9、、16位risc微控制器maxq2000是 maxq家族的第一个成员。它具有液晶()接口，可驱动多达100 (-rbx)或132 (-rax)段。maxq2000极为适合血糖监测应用，并且适合任何需要高性能、低功耗工作的应用。工作频率最大为14mhz (vdd 1.8v)或20mhz (vdd 2.25v)。maxq2000含有32k字的闪存(适合原型设计和小批量生产)、1k字ram、3个16位定时器，以及1或2个通用同步/异步(uart)。为了灵便起见，微控制器内核电源(1.8v)与i/o子系统电源自立。超低功耗的休眠模式使maxq2000成为便携式和电池供电设备的抱负挑选。maxq2000

10、评估板功能强大的maxq2000 c可以利用其评估板(ev)举行评估，该评估板提供了完整的maxq2000硬件开发环境(图6)。图6. maxq2000评估板方框图maxq2000评估板具有下列特点：板上maxq2000内核电源和vddio电源。可调电源(1.8v至3.6v)，可用作vddio或vlcd电源。对应maxq2000全部信号和电源的插头引脚。自立的lcd子板。lcd子板，装有3v、3.5位静态lcd显示器。衔接串行uart (端口0)的rs-232电平驱动器，包括流量控制线。外部中断按钮和微控制器系统复位按钮。max1407多功能adc/dac芯片，衔接到maxq2000的spi接

11、口。1-wire接口和1-wire eeprom芯片。条型显示，指示端口引脚p0.7至p0.0的电平状态。jtag接口，用于应用程序下载和在系统调试。因此，maxq2000评估板具备了构建智能型4-20ma变送器需要的全部功能：具有真正乘法-累加单元(用于滤波和频率编码/解码)的低功耗c；转换传感器信号的adc；产生模拟输出信号的dac (图7)。加上一个低功耗codec，如max1102，就可以实现一个hart调制解调器。图7. 基于maxq2000 c的4-20ma变送器hart调制解调器的实现假如系统包含1 200hz和2200hz (分离代表1和0)频率，同时要对这些频率举行检测，可以

12、采纳mac实现hart调制解调器要求的这些功能。要产生所需的正弦波形，可以利用下述差分方程描述的两极点滤波器形式实现递归数字式谐振器：xn = k * xn-1 - xn-2,式中，常数k等于2 cos(2*频率/采样率)。可以预先计算k的两个值，并存在rom中。例如，要用8khz采样率产生1200hz频率，该值为k = 2 cos(2*1200/8000)。必需计算能使振荡器开头振荡的初始激励。假如 xn-1和 xn-2都为0，接下来的每个xn也都将为0。要启动振荡器，将 xn-1设为0， xn-2采纳如下设置：xn-2 = -a*sin2(频率/采样率)在本例中，假设采纳单位幅度的正弦波，

13、该式简化为 xn-2 = -1sin(2(1200/8000)。为进一步简化编码，首先，初始化两个中间变量(x1, x2)。x1初始化为0，x2为初始激励值(上面的计算结果)，以启动振荡器。这样，要产生一个正弦波的采样，可举行下列运算：x0 = kx1 - x2x2 = x1x1 = x0每个新的正弦值都需要一次乘法运算和一次减法运算。利用maxq c的单周期硬件mac，可以采纳如下操作产生正弦波：move dp0, x1 ; dp0 - x1move mcnt, init_mac ; initialize mac unitmove ma, k ; ma = kmove mb, dp0+ ;

14、mb = x1, mc="k"*x1, point to x2move ma, -1 ; ma = -1move mb, dp0- ; mb = x2, mc="k"*x1-x2, point to x1nop ; wait for resultmove -dp0, mc ; store result at x0.由于我们只需要检测两种频率，所以采纳改进的goertzel算法，这种算法可以用容易的二阶滤波器实现(图8)。图8. 利用容易的二阶滤波器实现goertzel算法要用法goertzel算法检测特定频率，编译时要首先用法下式计算出常数：k = tone frequency/sampling ratea1 = 2cos(2k)随后，将中间变量d0、d1和d2初始化为0，并对每个收到的采样x举行下列计算：d0