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HART协议压力变送器硬件设计及实现

来源: 上海自动化仪表有限公司

2022/8/17 16:32:33 59

1、硬件原理设计

被测介质的压力作用于单晶硅压力传感器上,通过信号检测电路将其转换为直流电信号,通过信号调理转换为一定幅度的电压信号,经A/D转换为数字量传送至MCU处理,压力及温度信号经微处理器的数据处理,程序运算,并经D/A转换以及HART通信电路处理,将压力及温度参数转换成所需要的4-20mA标准直流电流信号及符合HART协议的数字信号,并调制在二线制电流信号上,提供给用户使用,同时驱动LCD液晶显示器实时显示。在变送器电路中设置了专门用于存储传感器特征信息的存储器芯片,用于传感器出厂特征数据的保存实现关键参数冗余保护。如图2所示。


2、单晶硅传感器模块

单晶硅压力传感器内部封装的传感器芯片的本质将决定*终产品的性能与等级。本文中的传感器采用德国*的MEMS技术制成的高稳定性单晶硅传感器芯片,悬浮式设计,内嵌德国进口测压膜盒与信号处理模块,使信号具有很高的一致性,减少装配应力引起的误差,具有较高的稳定性。单晶硅压力传感器的输出灵敏度高、信号量大,并且电路设计较为简洁可靠,与传统金属电容式传感器相比较,具有很好的回差特性,线性误差曲线的回差极小,基本可以忽略不计。单晶硅压力传感器内部集成有随温度线性变化的二极管,测量温度用于温度补偿参考,可在大范围内的静压和温度下提供高的测量精度和稳定性。

3、信号处理模块

智能压力变送器信号处理模块主要由 MCU 微处理器、A/D转换、D/A输出、存储器等部分组成。本设计选用一款具有超低功耗功能强大的单片机,具有丰富的片上外围模块、强大的运算处理能力、中断资源多,开发方式方便高效。MCU内含一个24位高精度Σ-Δ型ADC,信号单端/差分输入,内部1.2V基准电压源,适用于传感器信号转换处理。高精度AD将传感器模块检测输出的模拟电信号转换为数字信号,交由MCU芯片处理,主控芯片完成线性化,温度补偿等相关计算功能后, 相关的AD值,PV值等数据存放在存储器中,由HART信号实现同上位机的通信和数据交换,并且通过并且通过LCD液晶屏就地显示。

4-20mA转换输出选用了低功耗、高精度的D/A转换芯片AD5421。4-20mA电流环的16位DA转换器,与HART协议兼容,并且具有可编程的报警电流输出,在两线制智能变送器中是一个非常理想的电流环芯片,满足智能变送器的工业控制标准信号输出。

4、HART通信模块

HART协议通信模块主要由HART调制解调芯片和D/A转换器AD5421及其外围电路实现。本设计采用低功耗的AD5700作为HART调制解调器。芯片内部集成了符合Bell202标准的调制器、解调器、接收滤波器、发送信号整形电路、载波检测等电路便于构建满足HART协议物理层。



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