基于HART协议的高温度控制器设计-设计应用

精品文档-下载后可编辑基于HART协议的高温度控制器设计-设计应用摘要：本文论述了将微处理技术和HART协议通信技术引入温度控制器中,实现高精度温度控制器的信号补偿、自适应校正、远程监控等功能。本文首先从硬件方面分析和论述了基于HART协议的高精度温度控制器的温度采集控制电路设计、信号隔离(光耦与脉宽展宽)电路设计、信号输入电路设计与通信信号滤波电路设计,简单介绍了软件设计总体结构。

1引言

随着控制技术、计算机技术、通信技术的飞速发展以及CIMS（计算机集成制造系统）的发展需要，促使以现场总线网络为总体标志的现场总线的技术产生，并且迅速发展，推动着控制系统结构及自动化仪表迈进到现场总线控制系统和总线化仪表的一代。本文将微处理技术和HART协议通信技术引入温度控制器中，实现了高精度、多功能的可编程两线制HART协议的高精度温度控制器。

2温度控制器的硬件原理概述

基于HART协议的高精度温度控制器的电路原理框图，如图1。连接HART协议温度控制器的两条线既是电源线又是4～20mA输出（控制）信号线和HART信号线，对HART协议温度控制器供电的电流被限制在4mA以下（报警情况为3.6mA），4mA以上部分为信号。

采用AD公司生产AD421实现A/D、V/I功能，AD421是一款低功耗多功能芯片，其内部集成有16位A/D及V/I和电压调整电路。DC/DC是采用开关电源原理设计的电源隔离器，通过DC/DC给基于HART协议的温度控制器信号输入和A/D电路供电。使用低驱动电流的光电隔离器作信号隔离，实现HART协议温度控制器传感器小信号输入与输出信号和外部电源隔离，同时实现温度控制器的低电流消耗要求。

电路工作原理是:温度传感器信号经滤波送AD7714放大并转换为相应的数字信号，经光耦HP4731隔离后送入CPU，由CPU进行线性化及校正处理后送AD421转换为相应的4-20mA标准电流输出。另外,环路上的数字通信信号经滤波后送入解调器HT2022，解调信号通过串行口送入CPU。然后CPU送出相应的应答信号到HT2022调制成HART数字信号，经整形后控制V/I转换电路转换成相应的数字信号，并叠加到4-20mA直流信号上。

3硬件电路详细设计

3.1信号隔离及光耦外围参数确定

A/D转换器与CPU信息交换采用光耦隔离。

1)光耦外围参数确定见图2，以R18、R20计算为例，由于光耦驱动电流IF=40μA,所以按式(1),(2)求解。

考虑坏情况及余量取R18=62KΩ,同理取R17=62KΩ。

R15,R16,R21,R22的计算类似，在次不作叙述。

2)脉宽展宽电路如图3。

图3脉宽展宽电路及波形

由于AD7714数据更新完成后,其DRDY线要送一个触发高脉冲,其宽度为203.5μs,而光耦响应脉宽为500μs,因而必须设置脉宽展宽电路。原理分析，设原始状态时，图中a、c和d点为逻辑低电平；b、e为高电平，当VI脉冲到来时，b点跳到2VCC，随后放电至VCC，c、d、e点不变。当VI负跳变沿到来时，b、c、d、e各点翻转，然后C21开始放电，当d点电位降到反相器转换电压值时，反相器状态转换，e点变为高电平，并对C13充电，当b点电位升到反相器转换电压值时，反相器状态转换,C点变为低电平，从C点引出稳态脉冲。

由于AD7714的DRDY高脉冲宽度为500×tCLKIN=203.5μs,所以T3应小于203.5μs,T3=-R14C13ln0.5取R14=200KΩ求得C131.5nf,T2=-R14C13ln0.33=113μsT1=-R13C21ln0.33=TW-T2,因光耦响应脉宽为500μs考虑余量取TW=2.3msR13取200KΩ解得C21=0.00978μf,取C21=0.01μf。

3.2信号输入电路设计

信号输入部分单偶、双偶、双阻、两线制热阻、三线制热阻、四线制热阻的连接，由高频旁路穿心电容、恒流源、低通滤波网络（R1-R6、C3-C8）等组成。穿心电容用于衰减串入信号线的高频信号，考虑信号线对地的绝缘强度，选用100P/500V穿心电容。低通滤波网络采用RC滤波，考虑AD7714输入阻抗要求，R选用1.1K、C选用0.1μf。R9、R10用作传感器断线检测，电阻阻值为22MΩ。输入电路还考虑了检测电阻信号时引线电阻补偿计算。

3.3通信信号滤波电路

通信信号滤波电路如图4。滤波电路由高通和低通滤波器组成带通滤波器，考虑到HART通信信号包含上下半波，为了不引起信号失真，将直流工作点设在Vcc/2上。由C33、C34、R24、R27及D2C组成二阶高通滤波器，设C33=C34=C,R24=R27=RZE则其传递函数为(3)式。

取(4)分母字模等于v2可求得截止频率为0.37/2πRC,根据HART信号特点,高通截止频率一般取600Hz。由R22、R23、C30和D2B组成一阶低通滤波器，设C22=R、C30=C，则其截止频率为1/2πRC,HART通信中一般取2500Hz。

图4通信信号滤波电路

根据技术指标要求，基于HART协议的温度控制器应是本质安全的，所以电路中所有大的储能元件上都应加限压或限流保护元件，以达到本安指标要求。在可靠性设计方面重点采用了降额设计技术,使大多数元器件的实际工作应力都≤0.1。

4基于HART协议的温度控制器的软件实现

温度控制器软件的开发是建立在对HART协议数据链路层、应用层研究基础上，并结合温度控制器自身功能的要求以及硬件电路的连接进行的。实现温度控制器，除考虑硬件设计外，软件设计是另一重要方面，根据温度控制器的功能要求和技术指标，软件设计的主要内容有：

a、根据HART协议规范，完成从设备数据链路层、应用层以及层间接口程序实现HART通信链路连接，链路仲裁，信号接收、识别、响应和发送。

b、要考虑信号采集补偿、线性化处理和输出。

c、根据器件接口完成接口程序。

d、实现故障识别和报警、本地调试和显示。

软件工作原理如图5所示，主要分为三个部分，一部分是信号的采集和输出；一部分是HART通信信号到来，进入中断，识别和响应通信信号，包含数据链路层、应用层和层间接口等部分程序；另一部分是当有按键按下，进行本地参数组态。

本文作者创新点:

基于HART协议的高精度温度控制器，与传统的现场仪表或智能现场仪表相比，在功能上发生了飞跃，即增加了双向数字通信的功能，使温度控制器以其众多优点，在工业过程控制系统、仪表管理系统以及这两个系统并存的网络中，有着良好的应用前景。

参考文献:

[1].AD421datasheet/datasheet/AD421+_1055357.html.[2].AD7714datasheet/datasheet/AD7714+_249868.html.[3].4-20mAdatasheet/datasheet/4-20mA+_1763534.html.[4].203.5datas