基于HART协议智能压力变送器的硬件设计

本文基于HART协议开发了适用于半导体压力传感器的智能变送器，该变送器的硬件部分主要包括以下几个模块：MCU模块、LCD显示模块、HART通信模块、传感器模块和供电模块等。系统硬件框图如图3所示。智能压力变送器的供电电压选为3.3V，由稳压电源模块MAX6129AEUK33-T提供。

传感器模块主要包括传感器桥路，如图4所示，其中，电阻R20的温度系数应不大于50PPM／℃。

MCU模块主要由微处理器XE88LC0和非易失性存储器EEPROM93AA76C组成，其中，XE8A8LC0内置12位A/D转换器和10位D/A转换器。传感器模块输出的压力和温度信号经整形和带通滤波电路后，分别接至微处理器内置的A/D转换器的两个通道，并且使用传感器电桥供电电压作为A/D转换器的参考电压，以排除电桥不稳定所造成的误差。在进行A/D转换后，再由CPU进行线性化处理、量程转换、阻尼处理等运算，zui后通过微处理器内置的D/A转换器把数字信号转换成电流信号输出。EEPROM用来保存所有组态、特征化和数字微调数据。

HART通信模块即为HART协议物理层的硬件实现。它采用微集成电路HT2012作为HART调制解调器。HT2012的工作频率为460.8kHz，由独立的微功耗震荡器HT7210提供。从HART总线接收到的HART信号经过放大、滤波、比较后送到HT2012，被解调成逻辑1或逻辑O的数字信号传送给微处理器。同样，微处理器送出的数字信号由调制解调器调制成相应的1200Hz或2200Hz的FSK频移键控信号后叠加在环路发送到HART总线上。HART通信方式为半双工方式。

LCD显示模块通过HTl620芯片驱动和控制有关数据的显示。由于采用了电容型偏置电压充电泵，HTl620的操作电流非常小，能够满足本系统低功耗的要求。

智能变送器设计的关键在于如何实现低功耗。由于接入HART总线4～20mA环路中的智能变送器是从HART总线4~20mA电流环路上吸收直流且还要对网络提供工作电源的A类设备，因此意味着智能仪表供电的电流不能超过4mA。在实际应用中，为了兼容数字和模拟两种信号，通常将数字信号通过V/I转换电路转换成幅度为±O.5mA的音频数字信号（1200Hz表示“1”，2200Hz表示“O”），叠加在4~20mA电流环上。由于对称性，此信号的平均值为O，因此模拟和数字信号互不干扰。但是，环路上的zui大电流瞬时值Imax=4.5mA，zui小值Imin=3.5mA，如果向变送器供电过多（超过3.5mA），将导致数字信号负半周失真，考虑一定的余量，要求对变送器的供电电流不超过3.4mA。所以在元器件的选择上要充分考虑如何降低功?摹?lt;BR>

本方案中．由于大量选用低功耗器件，比较好地解决了这个问题。数字电路工作在3.3V，在此条件下，XE88LC0在12位的ADC和10位的DAC同时工作并且保证CPU达到每秒二百万条指令的处理量的情况下，其工作电流为670μA，HT2012的典型工作电流为40μA，93AA76C的读电流为500μA，HT7210在输出为1MHz的情况下工作电流也不过130μA，而HTl620的工作电流小于3μA，另外整形电路、带通滤波及其他模拟部分电路的电流不大于1.2mA。因此整个电路的总工作电流不大于2.1mA，远小于3.4mA。这样变送器可以给传感器模块提供的zui大电流为1.3mA，这对许多传感器来说已经足够了。