基于微处理器的智能发射器信号链解决方案详解

当代的现场仪器，也就是众所周知的智能发射器，是基于微处理器的智能现场仪器，用于监控过程控制变量，例如温度、流速和压力等。随着一些处理功能从中心控制室分散到工作现场，此类现场设备的智能化程度日益提高。这同时也增加了智能发射器信号链的复杂性，向最终产品设计提出了新的挑战。系统设计人员面临着一种直接挑战，也就是既要融合额外的智能、功能和诊断能力，同时又要开发出能够在4-20mA的环路所提供的有限功率范围内有效运行的系统。由ADI公司开发并向HART?通信基金会注册的一个示例解决方案专门用于此类设计。

图1和图2所示的两种传感器常用于智能发射器设计，其中的主变量取决于辅助变量(例如主变量的温度补偿)。ADuCM360的片内ADC 0测量现场仪表的主传感器：在本例中，它是电阻电桥压力传感器，而ADC 1则用于测量辅助温度传感器信号。

这样可以实现主传感器的温度补偿。与ADC相同，两个仪表放大器也集成到ADuCM360上，另外还有激励电流源、基准电压源和其他所需模拟电路。所有现场仪表数字功能都由低功耗32位ARM Cortex?-M3 RISC处理器提供。微控制器是一个复杂元件，可能需要很大功率，所以每毫瓦功率能够完成的处理越多越好。因此，我们需要调节控制器运行的时钟频率，既要维持必需的运行，还要保持在低功耗预算范围内运行。对于任何微处理器外设/接口的时钟信号，同样也必须达到这些要求。要让ADuCM360保持在分配的功耗预算范围内运行，另一个关键因素是能够将电源动态切换到各个模块。这种电源门控功能确保每个功能模块需要电源时为其提供电源，但特定功能模块关闭时，则会关闭其电源。

除了处理测量之外，ADuCM360还用于控制DAC，再由DAC控制环路电流。AD5421是一款完整的环路供电型4 mA-20 mA数模转换器，内置基准电压源、环路接口和可编程电压调节电路，它们都是从环路获取低功耗电源，并为自身以及发射器信号链的其他元件供电所必需的。DAC还提供多个片内诊断功能，所有这些功能都可由微控制器配置和读取，但也可以自主工作。例如，如果微控制器和DAC之间的通信失败，片内看门狗定时器会在指定时间长度之后，自动将DAC模拟输出设置为3.2 mA“报警”电流。这样可将现场仪器工作故障这一情况汇报给主机。

最后，AD5700 HART调制解调器和微控制器的UART接口共同实现智能发射器设计中的HART(可寻址远程传感器高速通道)通信，并在读取仪器的进程和诊断信息方面发挥重要作用。HART输出通过容性分压器调整至所需幅度，并耦合至DAC的CIN引脚，然后与DAC输出一同驱动和调制输出电流。HART输入通过简单无源RC滤波器从LOOP+耦合。RC滤波器作为第一级，用作HART解调器的带通滤波器，同时增强系统抵抗电磁干扰的能力——这对于稳定工作在恶劣工业环境中的应用而言非常重要。HART调制解调器的时钟由片上低功耗振荡器生成，具有3.8664 MHz外部晶振，使用两个8.2 pF接地电容，直接连接到XTAL引脚。此配置使用可能最低的功率。

总而言之，以上所述电路演示了一种可能解决方案，可以应对设计环路供电智能变送器的多方面挑战，以满足不断增长的市场需求。ADI公司提供的DEMO-AD5700D2Z解决方案可以直接应对这些挑战，平衡每个组件所需的功耗分配，从而产生综合全面的信号链，由此满足现代多功能市场领先型智能发射器设计在功耗、性能、尺寸和诊断方面的要求。