基于HART协议的高温度控制器设计

　　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、多功能的可编程两线制 HART 协议的高温度控制器。

　　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HT2012，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HT2012 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C13<1.5nf, T2=-R14C13ln0.33=113μs T1=-R13C21ln0.33=TW-T2,因光耦响应脉宽为500μs 考虑余量取TW=2.3ms R13 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]. AD421  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD421+_1055357.html.
[2]. AD7714  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD7714+_249868.html.
[3]. 4-20mA  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/4-20mA+_1763534.html.
[4]. 203.5 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/203.5_2184849.html.
[5]. C13  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/C13+_1844988.html.
[6]. R10  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/R10+_1193166.html.
[7]. C30  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/C30+_1092216.html.