如何判断电压电流反馈口诀流和电压的关键性

点击联系发帖人 时间：2018-08-05 02:16

判断电压电流反馈口诀

先进的智能是工业过程控制技术发展的需要，也是工艺过程实现高精度控制的必需，具有很好的市场前景。现场总线是目前国际上过程控制领域的一个热点，通过现场总线，数字通信技术可以延伸到现场仪表，给控制体系带来一场革命。HART协议作为一个开放性的协议，现已成为智能仪表的事实上的标准。现在，国际及国内使用的智能变送器基本是带有HART通信功能的智能变送器（简称为"HF智能变送器"），是一种将标准模拟信号（4~20 mA）与数字信号技术结合在一起用于传送过程参数的变送器。传统变送器传输数据的同时，不能传输控制信号与诊断信号。同时为了满足智能现场通信器对信号实时处理的需要，在HART智能现场通信器软件总体设计中采用实时嵌入式控制系统。为此，笔者设计了一种基于MAXQ2000嵌入式微处理器的增强型智能变送器，采用HART协议进行信号的调制解调，所提供的通信通道在传输传感器数据的同时，还可传输控制和诊断信号。

1 HART智能仪表的特点HART协议遵循ISO制订的OSI开放式系统互连参考模型，采用了OSI模型的第1层、第2层和第7层，即物理层、数据链路层和应用层。现场总线（field bus）是一种数字化的串行双向通信系统，能将所有的现场设备、传感器、执行器等与控制器用1根电缆（光缆或无线）连接在一起，形成现场设备级、车间级的数字化通信网络，可实现现场状态控制远程传送等功能。HART现场总线系统采用主从工作方式，主机一般为1台PC机，从机可为1台或多台具有HART通信功能的智能变送器。

HART智能仪表具有如下特点：

①实现了传感器信号的数字化，提高了测量精度。

②实现了传感器信号的智能化，能方便地修整拟合曲线并进行各种补偿。

③智能仪表实现了网络化，在控制站内可直接观察数千台仪表。

④通信传输采用4~20 mA标准信号加数字信号方式，可直接替换模拟仪表。

⑤通过数字信息能读出仪表各种管理信息，如生产厂家、仪表型号、生产序号、维修时间等。

⑥可装入算法，直接构成控制回路。

⑦工作在4~20 mA现行标准的两线制回路中。在应用时，其兼容模拟与数字信号，而频率信号经过V/I转换电路的转换管，转换为幅度为0.5 mA的频率信号，叠加在两线制4~20 mA的环上。由于对称性，此信号的平均值为0,所以模拟、数字两信号互不干扰。

⑧具有线性化处理功能、温度补偿功能、零点自动调整功能、量程自动调整功能、数字化通信功能等。

2 电流变送器最简单的电流变送器是采用简单的电流环路进行信号传递的。在环路中，传感器的输出电压首先按比例转换成电流，远端接收器将4~20 mA的电流又转换为电压，利用计算机或显示模块做进一步处理。典型的4~20 mA电流环电路包括4个部分：传感器/变送器、电压-电流转换器、环路电源和接收器/监视器。为适应工业需求，出现了称作"智能型变送器"的第2代4~20 mA变送器，这种变送器采用微控制器（μC）和数据转换器调理远端信号。智能型变送器可以对增益和失调进行校准，通过将传感器模拟信号数字化（如电阻式温度检测器RTD和热电偶）实现线性化处理，用驻留在μC内部的数学算法处理信号，再将数字信号转换回模拟信号，结果以标准电流的形式沿环路传输。最新的第3代4~20 mA变送器被认为是"增强型智能"变送器。它们增加了与4~20 mA信号共享双绞线的数字通信功能。所提供的通信通道在传输传感器数据的同时，还可传输控制和诊断信号。设计的增强型智能变送器的基本结构如图1所示，主要由、、MAXQ2000微控制器、电压调节器、信号调理、HART调制解调器、I/O通道、双绞传输线组成。

图1 基于MAXQ2000 μC的增强型智能变送器框图

智能型变送器所使用的通信标准是HART协议，HART协议采用美国电话通信系统Bell202频移键控（FSK）标准。如图2所示，在4~20 mA的模拟信号上叠加0.5 mA的正弦波数字信号，其数字信号1和0分别由1 200 Hz和2 200 Hz频率表示。这些频率的正弦波叠加在传感器的直流模拟信号上，同时提供模拟和数字通信。因为FSK信号的平均值始终为零，所以数字通信信号不会影响4~20 mA的模拟信号。数字状态每秒钟可以转换2~3次，而不会妨碍模拟信号。允许的最小环路阻抗为23 Ω。

图2 同时用模拟型号与数字信号通信

在该智能电流变送器中，μC必须具备3种特定性能：

①串行接口，连接用于数据采集的ADC和用于设置环路电流的DAC.

②因为预算电流为4 mA,所以要求低功耗。

③乘法-累加单元（MAC），既完成输入信号的数字滤波，在HART协议中又同时进行编码和解码。

3 HART调制解调器的实现3.1 HART调制解调器的基本组成以MAXQ2000微处理器为核心的增强型智能4~20mA变送器的HART调制解调器如图3所示。在MAXQ2000中，实现软件滤波和频率编码/解码等功能；低功耗的MAX1407实现A/D转换，低功耗的MAX1102实现D/A转换。

图3 基本HART调整解调器的4—20MA变送器图

如果系统包含1 200 Hz和2 200 Hz（分别代表1和0）频率，同时要对这些频率进行检测，可以采用MAXQμC内部的MAC实现HART调制解调器要求的这些功能。

3.2 频率编码器的实现要产生所需的正弦波形，可以利用下述差分方程描述的两极点形式实现递归数字式：

式中，常数k等于2 cos（2&&mes;频率/采样率）。可以预先计算k的两个值，并存在中。例如，要用8 kHz采样率产生1 200 Hz频率，该值k=2 cos（2π×1 200/8 000）。必须计算能使开始振荡的初始激励。如果Xn-1和Xn-2都为0,接下来的每个Xn也都将为0.要启动振荡器，将Xn-1设为0,Xn-2设置为：

为进一步简化编码，首先，初始化两个中间变量（X1,X2）。X1初始化为0,X2为初始激励值（上面的计算结果），以启动振荡器。这样，要产生一个正弦波的采样，可进行下列运算：

每个新的正弦值都需要一次乘法运算和一次减法运算。利用MAXQμC的单周期硬件MAC,可以采用如下操作产生正弦波：

因为只需要检测两种频率，所以采用改进的Goertzel算法。这种算法可以用简单的二阶滤波器实现，如图4所示。

图4 利于二阶滤波器实现Goertzel算法

要使用Goertzel算法检测特定频率，编译时要首先使用下式计算出常数：

随后，将中间变量D0、D1和D2初始化为0,并对每个收到的采样X进行下列计算：

得到足够多的采样值以后（采用8 kHz的采样频率时，通常为205个采样值），用最新计算出的D1和D2值进行下列计算：

这时，P包含了输入信号中测试频率的平方。要对两种频率解码，用两个滤波器处理每个采样。每个滤波器都有自己的k值和自己的一组中间变量，每个变量都是16位长，所以，整个算法需要48字节的中间存储器空间。

HART中断程序HART通信程序是HART协议数据链路层和应用层的软件实现。由于HART通信采取的是主从方式，而像变送器这类的现场设备都是从机，因此在初始化中和每次回答完主机命令后，都要把接收中断打开，一直等候主机命令。HART通信采用水平和垂直校验的方法，当检测到接收数据有差错时，要等到主设备命令帧发完后，通知主设备数据接收有误，主设备则重新发命令帧，从而保证通信的准确可靠。HART中断子程序流程如图5所示。由于HART通信为主从方式，HART帧中每个字节在物理层传输需要9 ms左右，为了保证通信的实时性，通信程序采用串行口终端接收/发送。该中断所要完成的通信中的主要任务是，接收和发送帧、帧的拆分和打包。

图4 HART 协议中断子程序

HART协议作为一个开放性的协议，现已成为智能仪表事实上的标准，其特点是在现有的模拟信号传输上实现数字信号通信；嵌入式系统技术是目前电子产品设计领域最为热门的技术之一。本文介绍了以MAXQ2000嵌入式处理器为核心的HART智能电流变送器，对HART协议的实现进行了较详细的叙述。采用嵌入式技术的HART智能变送器，不仅能解决现场总线兼容原有的DCS（Distribu Control System）问题，而且使系统整体的实时性、稳定性、抗干扰性及低功耗等性能有了极大的提高。

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“工业 4.0 时代，在使用大量数据、设有各种的工厂中，电源的外形尺寸、效率、EMI这些性能指标更为关键。”在举行的工业 4.0 与智慧工业研讨会上电源产品中国区市场总监梁再信（Lorry）如此说道。如果说工业4.0是一场革命，ADI以?Module技术为主的高性能电源正在推动基础技术变革。

ADI 电源产品中国区市场总监梁再信（Lorry）

作为高端工业智能领域的高性能模拟器件供应商，ADI 认为未来工业4.0的设备和装置的智能化会越来越高，这时设备“是否够灵活、效率是否够高、沟通畅否、安全性以及可靠性”都是非常关键的性能要求。

ADI 致力于帮助客户向工业 4.0 过渡的领域

毫无疑问，在设计一款应用于工业4.0领域的产品时，上述的“灵活性、性能、沟通、安全性、可靠性”都是需要面临的挑战。对板卡研发工作人员来讲，一个最不能忽视的产品就是“电源”，因为电源是工业4.0领域任何一款板卡的机电基础。

为了满足上述五点要求，ADI 针对工业4.0领域的电源创新主要考虑以下三个维度

效率，做到更加节能、提高效率，不断突破极致

外形尺寸，在做出高性能电源的同时，减少PCB尺寸以及增加更多的功

EMI，不断提高产品的可靠性、创新性，设计出更完美的噪声处理方案

电源效率高，工业4.0设备的效率才会高

“效率是全世界所有做电源的工程难题。因为电感不可能是理想电感，MOS管也不可能是理想开关，这两者都存在一定的损耗。为了提高效率，所以才有了的出场。”Lorry表示，十多年前我们的开关电源就已经达到90+%的效率，跨不过的90%+但可以追求Efficiency的极致。

“为了减少外围器件的体积，我们把开关频率提高了。但是频率的提升会导致开关的损耗越来越大，效率也很难提升，怎么办?”Lorry自问自答提出这个难题，“电感作为储能器件一定有转换的效率问题，所以我们考虑去掉电路中的电感，ADI的LTC7820就是这样一个没有电感的开关电源。”

解决空间问题，选高集成度产品

如果说工业4.0是一场革命，电源模块的发展对ADI 来说也是一场革命，因为它在不断的突破挑战，在工艺方面完成了非常大的调整。ADI 的电源模块对工业4.0领域来说，大大提升设备的灵活性、性能以及安全性。

要想做出高集成度的电源产品，电路板小尺寸、薄型化等是关键方向。“做好电源模块，让产品设计工程师专注于做系统级设计，而不用花时间去调一个复杂的电源系统。”Lorry 表示这是电源模块的关键点。他给出了下图的某个系统 IO 和内核供电系统的示例，成功节省 30 到 100 个的元器件数量，而且整个系统的可靠性也会得到提升。

比如 ADI ?Module? (微型模块) 稳压器LTM4622，该产品采用纤巧的超薄型 6.25mm x 6.25mm x 1.82mm LGA 和 6.25mm x 6.25mm x 2.42mm BGA 封装，封装中内置了开关控制器、功率 FET、和支持组件，其高开关频率和模式控制的运用可实现针对电压和负载变化的非常快速瞬态响应，而并不牺牲稳定性。此外，四路 4A 电源模块整列LTM4644，输出可通过并联形成一个阵列以提供高达 16A 的电流能力，该电源模块的高效率设计使每个通道能够提供 4A 连续 (5A 峰值) 输出电流，仅需大容量的输入和输出。

怎么样减少系统的噪声和干扰，EMI 是关键，而大部分的 EMI 问题都是从电源干扰来的。ADI 的开关电源Silent Switcher2 系列，EMI 指标可以做到非常低。

如果你了解Silent Switcher技术，那你肯定清楚这项本身并不难，难的如何形成环路，在流动的时候是反方向的。从Lorry现场分享的剖面图来看，磁场因为反向，就是一个闭环的回路。ADI Silent Switcher 已经走到了第三代，要解决的问题是——如何在超小体积、高功率的情况下控制EMI，让EMI指标远远低于标准。

Low EMI意味着比较低的噪声和纹波，对电源来说这很重要。

“大家知道就是为了降低纹波，而且也能提高效率。但电路板上还有一些给用的基准电源，它的噪声也比较低。但基准和LDO针对的应用场景却不一样，前者追求初始精度和长期稳定性，而后者则是追求怎样去输出大电流。”Lorry补充分析道。

除此之外，Lorry 还介绍了ADI 大电流超级电容器后备控制器和系统监视器LTC3350以及备份电源LTC4041的典型应用，其中LTC4041的一个典型的应用就是针对工业4.0设备做掉电保护。

“提供最好品质的可靠性产品，帮助你设计的系统得到最好的可靠性和长期的稳定性。是 ADI 给大家的承诺。”演讲最后 Lorry说到。“ADI 电源会为继续提供创新、高性能的电源方案，为工业 4.0 的发展提供最好的技术支持。”

原文标题：如果说工业4.0是一场革命，ADI这项技术正在推动基础技术变革

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