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。