HART通用壓力變送器的設(shè)計(jì)

1、僅供個(gè)人參考HART!用壓力變送器的設(shè)計(jì)摘要：本文首先闡述了目前壓力變送器采用的傳感器種類，并說明采用傳統(tǒng)的信號(hào)處理電路需要不同的電路與之配合使用， 造成產(chǎn)品種類較多，不宜量產(chǎn)。然后本文詳 細(xì)介紹了一種嶄新的設(shè)計(jì)思想，采用這種電路能支持各種壓力傳感器， 包括陶瓷 電容、陶瓷壓阻、擴(kuò)散硅、藍(lán)寶石、濺射薄膜、應(yīng)變片、稱重傳感器、3051/1151 傳感器、單晶硅壓力、二四線電阻等連接。新電路可以提供軟件可控的恒壓、 包流輸出給傳感器，并可以采集兩路差分或四路單端輸入信號(hào) （用于傳感器溫度 漂移補(bǔ)償），主電路擁有很小尺寸32.4mm22.6mm5.6mm（該尺寸可以用于原模 擬投入式儀表的殼體，并將

2、在 2005年底推出29.5mmQ1.5mm61mm姊妹產(chǎn)品應(yīng) 用于1英寸直徑投入式殼體的產(chǎn)品）。本文同時(shí)介紹了壓力變送器采用的四級(jí)抗 干擾保護(hù)措施以及他們的功用，并介紹樹脂密封主電路和六面電磁屏蔽的設(shè)計(jì)方 法，這些特殊設(shè)計(jì)使產(chǎn)品擁有了極高的可靠性和良好的抗干擾特性。最后，本文給出了通用壓力變送器的主要指標(biāo)和典型應(yīng)用圖，并列舉了其在HAR微據(jù)通信方面的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)（恢復(fù)出廠設(shè)置、可控傳感器增益等）。第一節(jié)需求的提出For personal use only in study and research; not for commercial use壓力變送器是工業(yè)控制系統(tǒng)使用最多的設(shè)備之一，目前壓

3、力變送器使用的傳感器種類較多，有陶瓷電容、陶瓷壓阻、擴(kuò)散硅、藍(lán)寶石、濺射薄膜、應(yīng)變片、稱重傳感器、3051/1151類金屬電容式傳感器、單晶硅壓力（差壓）傳感器、霍爾傳感器等。由于這些傳感器的負(fù)載阻抗、激勵(lì)方式、輸出信號(hào)靈敏度、補(bǔ)償方式均不相同（參閱表1）,所以以往的變送器均有不同的配套電路與相應(yīng)的傳感器配合，產(chǎn)品種類較多，給 生產(chǎn)制造部門和采購部門帶來很多不便，另外也使供貨周期延長。表1 :部分壓力傳感器典型特性（各廠家實(shí)際傳感器可能有較大差別）For personal use only in study and research; not for commercial use傳感器特性陶瓷

4、電容For personal use only in study and research; not for commercial use擴(kuò)散硅濺射薄膜應(yīng)變片稱重傳感器霍爾傳感器負(fù)載阻抗內(nèi)有電路2K10K Q約5K200 Q 10K350 Q 2K350 Q 1K激勵(lì)方式恒壓5.0V/2mA恒流0.51.0mA恒壓5.0V/1mA恒流1.0mA恒流1.0mA恒流1.0mA輸出信號(hào)范圍0.5V 4.5V+ 3mV +85mV約 5.0mV+ 1mV +100mV+300uV + 5.0mV3.05.0mV溫度補(bǔ)償方式內(nèi)部自補(bǔ)償電路零點(diǎn)量程電阻補(bǔ)償多點(diǎn)補(bǔ)償零量補(bǔ)償不必要雙傳感器自補(bǔ)償?shù)诙?jié)新電路結(jié)

5、構(gòu)與工作原理能不能設(shè)計(jì)一種信號(hào)處理電路，配合軟件控制，能滿足所有的壓力傳感器的使用需求呢？答案是肯定的我們?cè)O(shè)計(jì)了一款如下信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)（見圖1）,壓力變送器總體電路原理框圖見圖2。圖1信號(hào)處理電路框圖不得用于商業(yè)用途口5V1mAPGAPGA05V0 1mAPGAPGALCD顯示顯示接口按鍵智能儀表最小配置AD| CPU 尊DAHART調(diào)制解調(diào)1j帶保持功能總線圖2壓力變送器總體電路框圖本電路的工作原理如下：首先根據(jù)傳感器的激勵(lì)要求，由 CPU設(shè)定DA轉(zhuǎn)換器的輸出電壓值，該電壓值可直接用于驅(qū)動(dòng)需要恒壓激勵(lì)的傳感器；DA轉(zhuǎn)換器的輸出電壓再經(jīng)過配有鏡像電流源的電流轉(zhuǎn)換器，輸出相應(yīng)的傳感器激勵(lì)電流。

6、該鏡像電流源的選用對(duì)兼容電壓驅(qū)動(dòng)的傳感器有至關(guān)重要的作用，它能使傳感器在使用電流激勵(lì)時(shí)另一端接地，這本就能在各種情況下，滿足 AD轉(zhuǎn)換器前端的程控放大器（PGA）的輸入信號(hào)共模要求。得到正確激勵(lì)的壓力傳感器能輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)實(shí)際壓力的電壓值，該電壓值可能小至 300uV也可能達(dá)到4.5V。為了使各種傳感器都能得到良好的采集精度，必須正確設(shè)置AD前端的PGA,在300uV時(shí)，設(shè)置PGA為最大值128倍，可使AD輸入達(dá)到38.4mV ,對(duì)應(yīng)AD的2.5V的采集范圍，浪費(fèi)了最高的6位數(shù)據(jù)，但由于ADC可以達(dá)到實(shí)際18位的有效精度，因此該信號(hào)實(shí)際的測(cè)試結(jié)果可以得到12位的轉(zhuǎn)換精度；在4.5V時(shí)，PGA為最

7、小值1,它此時(shí)的采集范圍可達(dá)到 5.0V （使用± 2.5V檔），滿足采集要求。電路中設(shè)置的4輸入信號(hào)切換開關(guān)，可以采集更多通道的數(shù)據(jù)，比如用于傳感器溫度漂移補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅?。由于切換開關(guān)還可以把 AD的某一輸入端切換到模擬地，所以該系統(tǒng)可采集兩路差分信號(hào)或四路單端輸入信號(hào)（當(dāng)然也可以采集一路差分和兩路單端輸入信號(hào)）。全部電路還包含供電電源電路、HART數(shù)據(jù)通信電路、LCD顯示接口、ISP程序升級(jí)接口等，最終與信號(hào)處理電路及CPU模塊組成一個(gè)完整的通用壓力變送器電路。第三節(jié)新電路功能描述本電路是符合HARM議的高集成高性能壓力變送器電路主卡，內(nèi)含24位高 分辨率2-A模數(shù)轉(zhuǎn)換器，4通

8、道多路開關(guān)，輸入緩存器，可編程增益放大器（PGA,溫度傳感器，內(nèi)部低溫漂基準(zhǔn)電壓源，MCS5內(nèi)核，高可靠數(shù)據(jù)EEPROM 16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，程序/數(shù)據(jù)FLASHY儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)RAM集成HART調(diào)制解調(diào)器 等。功能描述圖如圖3所示。川CC AGND REF2.5 +DVCC GNDRXD TXD PSENSECYRIT DISPCS D1SPCLKDISPDAT CAP/T2圖3壓力變送器電路部分的功能描述圖24位2 - A模數(shù)轉(zhuǎn)換器本電路包含集成的2-A模數(shù)轉(zhuǎn)換器部分由模擬多路開關(guān)（MUX、可選擇緩沖 器（BUFFER、可編程增益放大器（PGA、基準(zhǔn)電壓源、數(shù)字濾波器等組成。4路模擬多路開關(guān)（M

9、UX和傳統(tǒng)的ADC路開關(guān)相比具有很大的靈活性，軟件可配置提供2路差分輸入通道或4路單端輸入通道。輸入緩沖器可以提高ADC勺輸入阻抗，但輸入電壓范圍只能從50mW3.5V,電路配置的PGAM有很寬的增益范圍，有1128倍的可變?cè)鲆?，PGA勺使 用提高了 ADC勺有效分辨率，從而顯著提高了小信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換的有效精度。僅供個(gè)人參考本電路能提供自身的溫度采集與顯示（配合 LCD或HAR做據(jù)通信讀取）。基準(zhǔn)電壓源本電路內(nèi)置高穩(wěn)定的2.5V 5Ppm基準(zhǔn)電壓源可給傳感器或傳感器內(nèi)置電路提 供基準(zhǔn)，從而節(jié)省用戶費(fèi)用；另外也是變送器的整體溫度指標(biāo)大為提高。數(shù)字輸入 /輸出端口本電路數(shù)字輸入輸出電路都為 CMOS

10、I平，輸入緩沖器為施密特觸發(fā)器，可以減小輸入信號(hào)的噪聲。接口基本均為復(fù)用型，用戶可分別做中斷、SPI、 UART、PWM計(jì)數(shù)器、捕獲等使用。這些功能主要預(yù)留用于差壓變送器用于流量測(cè)量時(shí)使用，可進(jìn)行多CPUJ息交互與控制。恒壓恒流激勵(lì)方式說明本電路支持恒電壓和恒電流兩種傳感器驅(qū)動(dòng)方式。這是靠電路內(nèi)置16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的,16位ADCft接輸出電壓信號(hào)VDAC VDAC俞出電壓大小可以通過軟件來改變，VDAC勺輸出為02.5V可控輸出。通過軟件設(shè)置恒流輸出功能，可以在恒流激勵(lì)端輸出01.0mA的電流值。如果傳感器需要更大的電流傳感器激 勵(lì)，可以使用擴(kuò)流MOST配合IDACSETJI腳使輸出電流

11、達(dá)到2.0mA液晶/OLED顯示接口說明本電路提供液晶/OLED顯示接口（用戶可以不使用顯示器），完全兼容華 控公司的顯示模塊產(chǎn)品，液晶模塊接口為單排2.5mm插座，信號(hào)定義如下（OLED 產(chǎn)品接口請(qǐng)參閱華控提供的免費(fèi)電路圖）：KI K2 K3 CS CLDCK DATA VCC GND圖4液晶顯小模塊接口定義HART通信說明本電路HART通訊部分包括硬件濾波模塊、HART解調(diào)模塊和HART倜制模塊。 HARTfe路特性符合國際HART通信基金會(huì)（HCF HART協(xié)議規(guī)范，且輸出波形為 EMI更小的三角波，輸入電路具有載波有效檢測(cè)電路，通信十分可靠。HART?通信是現(xiàn)有420mA儀表的主要通信

12、標(biāo)準(zhǔn)，在世界范圍內(nèi)有 70%以上兩線制儀表采用 HART?通 信協(xié)議。第四節(jié)新電路的應(yīng)用范圍本電路可以提供軟件可控的恒壓、恒流輸出給傳感器，恒壓由軟件可設(shè)定為02.5V輸出，恒流由軟件可設(shè)定為01.0mA輸出。因此，本電路可以給【表 11所列的所有傳感器提供合適的激勵(lì)。通過 AD轉(zhuǎn)換器 輸入開關(guān)切換，本電路的四個(gè)模擬輸入線可以采集兩路差分或四路單端輸入信號(hào)。除了主采集通道外，其 它通道可用于采集傳感器溫度進(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償，也可以用于差壓變送器做流量采集時(shí)的靜壓補(bǔ)償。本電 路配備不同的軟件或進(jìn)行軟件組態(tài)，可以用于各類壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、液位變送器質(zhì) 量流量計(jì)等。本電路實(shí)現(xiàn)后的主電

13、路尺寸，僅有32.4mm x 22.6mm x 5.6mm （姊妹產(chǎn)品尺寸 29.5mm x 21.5mm x 5.1mm）,該尺寸可以用于原模擬投入式儀表的殼體（國外為外徑1英寸，國內(nèi)為內(nèi)徑1英寸）。截至目前，世界上還沒有廠家能在如此小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶有HART協(xié)議的智能化儀表。第五節(jié)新電路采用的抗干擾措施和可靠性措施隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備越來越多地使用變頻調(diào)速機(jī)構(gòu)和功率更大的分?jǐn)嗥?、電?dòng)機(jī)、電磁閥，以及現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試使用的大功率對(duì)講機(jī)等，都使現(xiàn)場(chǎng)的干擾越來越強(qiáng)也越來越復(fù)雜。因此， 在使用本電路的壓力變送器中，特別采用了四級(jí)抗干擾保護(hù)措施以使產(chǎn)品具有良好的抗干擾特性。對(duì)于差模干擾信號(hào)，我們首先在電源輸入線

14、使用TV淵件進(jìn)行電壓鉗位，然后使用EMC1磁吸收元件吸收剩余的脈沖干擾。在CPU以及運(yùn)放等敏感電路的電源，為了防止差模的干擾造成程序跑飛， 再次使 用了 EMCCf TVS器件吸收并鉗位噪聲電壓，并使用了雙看門狗結(jié)構(gòu)使意外的程序 跑飛能使系統(tǒng)復(fù)位。關(guān)于雙看門狗結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在這里簡單介紹如下：本電路同時(shí)配備超時(shí)復(fù)位看門狗和定時(shí)復(fù)位看門狗，超時(shí)復(fù)位看門狗需要軟件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)喂狗（清零計(jì)數(shù)器），如果程序跑飛超過規(guī)定時(shí)間沒有喂狗，就會(huì)復(fù)位CPU使系統(tǒng)重新運(yùn)行；定時(shí)復(fù)位看門狗不需要軟件控制，這樣如果程序跑飛后，運(yùn)行的非法程序仍在喂狗，就能在一定時(shí)間后（大于超時(shí)復(fù)位時(shí)間），復(fù)位CPUS系統(tǒng)重新運(yùn)行；這種特

15、殊的雙看門狗結(jié)構(gòu)可確保系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)徹底死機(jī)現(xiàn)象，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于共模干擾信號(hào)，壓力變送器的設(shè)計(jì)采用了雙穿心電容配合端子接線板側(cè)的共模抑制線圈來消除（這依賴于變送器最后的總體安裝）。經(jīng)測(cè)試，該方案可有效過濾對(duì)講機(jī)等射頻干擾。為了更好的抑制射頻干擾，我們還使用了六面電磁屏蔽的設(shè)計(jì)方法，并使屏蔽端有效接地或連接儀表殼體。為了解決壓力變送器安裝在管路上的持續(xù)的振動(dòng)造成失效，我們對(duì)主電路使用樹脂密封的處理方法，電路板在安裝入殼體時(shí)加裝緩沖墊片吸收一定的振動(dòng)，這樣使產(chǎn)品的抗振性大為提高。綜合這些特殊設(shè)計(jì)，使該產(chǎn)品擁有了極高的可靠性和良好的抗干擾特性。第六節(jié)新電路設(shè)計(jì)的壓力變送器技術(shù)指標(biāo)表2:通

16、用壓力變送器的主要指標(biāo)參數(shù)測(cè)試條件最小典型最大單位總線工作電壓112436V模擬輸入范圍± 18±2500mV輸入電流Buffer on0.5nA可編程增益放(PGA1128大器模擬轉(zhuǎn)換分辨24BIT率共模抑制比F=50Hz120dB電源抑制比65dB溫度漂移±5ppm/C模擬輸出電壓4.905.005.10V輸出電流能力（總可用電流）2.0mAharT線輸出特性輸出電流3.821.5mA模擬輸出精度0.05%FS不得用于商業(yè)用途僅供個(gè)人參考模擬輸出溫漂2550ppm ofFS/CHARTS訊幅值總線電阻500 Q500560600mVp-p第七節(jié)典型應(yīng)用電路本電

17、路只需外加壓力類傳感器和液晶顯示模塊，既可組成一臺(tái)智能變送器（如擴(kuò)散硅壓力變送器）。如下所示，通過IDAC引腳提供恒電流激勵(lì)給傳感器， 通過AIN1+和AIN1-采集傳感器主變量值，把主變量信號(hào)變成420mAfe流信號(hào)輸 出，并且在電流信號(hào)上疊加HART數(shù)字信號(hào)。外加液晶顯示接口即組成HART數(shù) 字表頭0其它各類壓力變送器、差壓變送器、流量變送器、液位變送器質(zhì)量流量計(jì)等， 均可采用類似的連接方式，只是要通過 HARTS信設(shè)置傳感器激勵(lì)方式和信號(hào)的 采集范圍。不得用于商業(yè)用途傳感器電阻1C, 一 9/1 /-uLOOPIN八八八|八IDACLOOPRTN2 v iW 24V-AIN1 +420m

18、A+HARTAIN1-AGNDJDISPCSdDISPCLK液晶模塊H100AJDISPDAT傳感器LOOPIN 06 IDACLOOPRTN 。A AIN1+A AIN1-9 AGNDDISPCS 4DISPCLK 6Hl 00 ADISPDAT ?4-2 口 mA+HART24V-液晶模塊圖5通用壓力變送器的典型應(yīng)用圖第八節(jié)電路的其它有點(diǎn)這款通用壓力變送器配合內(nèi)置的嵌入式軟件還有一些其它優(yōu)點(diǎn)，如下:僅供個(gè)人參考2.50V 5Ppm基準(zhǔn)輸出同時(shí)可提供02.5V任意基準(zhǔn)電壓輸出軟件可控的信號(hào)輸入范圍（土 18mW ±2.5V）【可接受+ 5V單極性輸入】軟件可選恒壓、恒流傳感器驅(qū)動(dòng)方

19、式（05V或01mA【可擴(kuò)展至2 mAi流驅(qū)動(dòng)】軟件可設(shè)置的恒壓激勵(lì)電壓或恒流激勵(lì)電流電路內(nèi)置各種抗干擾保護(hù)元件（最大瞬態(tài)噪聲吸收功率達(dá)175W）數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制與數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)功能優(yōu)化的通信波形，良好的通信效果在板可重新編程，實(shí)現(xiàn)軟件更新或升級(jí)四層板并實(shí)現(xiàn)全金屬屏蔽、全部膠封，實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和抗干擾特性快速的產(chǎn)品交貨周期與最小的庫存環(huán)境溫度顯示功能可用于小體積的投入式儀表（尺寸只有模擬變送器大?。┰摦a(chǎn)品的生產(chǎn)與檢驗(yàn)可采用計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)工藝流程設(shè)計(jì)保證電源可靠上電與高干擾電源的可用性在這里特別值得一提的是數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制與數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)功能。在越來越復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，各種強(qiáng)干擾無處不在，即使我們的

20、產(chǎn)品配備了四級(jí)抗干擾保護(hù)措施，如果出現(xiàn)超過我們保護(hù)能力的干擾出現(xiàn)，干擾還是可能進(jìn)入變送器內(nèi)部的電路部分，這些干擾對(duì)儀表最大的永久性傷害在于使內(nèi)部EEPROM 數(shù)據(jù)丟失 （ RAM數(shù)據(jù)的改變會(huì)通過復(fù)位自動(dòng)消除故障暫時(shí)性故障） 。 因此本儀表在不操作時(shí)使EEPROM 處于斷電狀態(tài)，并在讀取時(shí)處于寫保護(hù)狀態(tài)，由于儀表只有在復(fù)位和修改參數(shù)時(shí)才需要讀寫EEPROM,因此使EEPROM數(shù)據(jù)丟失的可能性降至最低。EEPROM 數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)功能是結(jié)合用戶的需求添加的輔助功能。現(xiàn)在由于系統(tǒng)集成商和現(xiàn)場(chǎng)安裝操作人員的素質(zhì)和知識(shí)水平良莠不齊，經(jīng)常出現(xiàn)將儀表的參數(shù)調(diào)整到異常狀態(tài)而無法恢復(fù)的情況。由于變送器在出廠后一年內(nèi)廠家一般提供無條件保修，我們的一個(gè)客戶每年因此之處的售后服務(wù)費(fèi)用就高達(dá)100 萬元人民幣。提供此功能后，如果出現(xiàn)類似故障，通過按鍵配合LCD 液晶顯示輸入特定數(shù)字序列，即可使儀表恢復(fù)到出廠狀態(tài)（廠家出廠前進(jìn)行備份操作）。我們的這個(gè)用戶認(rèn)為，僅此項(xiàng)功能就能使他們的售后服務(wù)費(fèi)用節(jié)省約80 萬元人民幣（有些用戶不會(huì)自己動(dòng)手做任何操作，反正是無條件免費(fèi)保修，他們會(huì)要求廠家派人，因此不能把該項(xiàng)費(fèi)用全部節(jié)省）。數(shù)據(jù)恢復(fù)功能還可以在發(fā)現(xiàn)EEPROM數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)的恢復(fù)，進(jìn)一步降低產(chǎn)品故障的可能性。第九節(jié) 綜述采用上述設(shè)計(jì)的壓力變