基于MAXQ构建增强型智能4-20mA变送器
简单的环路工作
在电流环路中,传感器的输出电压首先按比例转换成电流,一般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电流环电路包括四个部分：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,其他三个部分串联连接,构成闭环回路(图1)。
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,出现了称作“智能型变送器”的第二代4-20ma变送器,这种变送器采用微控制器(μc)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进行校准,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μc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“增强型智能”变送器。它们增加了与4-20ma信号共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。
智能型变送器所使用的通信标准是hart协议,该协议基于bell 202电话通信标准,采用频移键控(fsk)方式。其数字信号1和0分别由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)。
因为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,而不会妨碍模拟信号。允许的最小环路阻抗为23。
4-20ma增强型智能变送器对μc的基本要求
要实现这种4-20ma电流环路应用,μc必须具备三种特定性能：
串行接口,连接用于数据采集的adc和用于设置环路电流的dac。
因为电流预算为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,又同时编码和解码hart协议中的两种频率。
选择μc
maxq系列risc μc具备上述所有必需的功能(图4)。
模拟功能
maxq μc包含若干模拟功能。采用的时钟管理方案只对当前使用的模块提供时钟。例如,如果一条指令用到数据指针(dp)和算术逻辑单元(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。
