3. Интеллектуальные компоненты измерительных цепей

3.1 Интерфейсы датчиков. Интерфейс “ токовая петля ”

В интерфейсе “ токовая петля ” сигнал датчика передается в виде значения тока в диапазоне от 4 до 20 mA.

Для передачи сигналов датчиков в интерфейсе “ токовая петля ” используется линия передачи на основе витой пары проводов.

Интерфейс характеризуется следующими преимуществами:

1. простотой реализации;

2. небольшим количеством проводов;

3. нечувствительностью к шумам;

4. нечувствительностью к изменению сопротивления проводов линии передачи сигнала;

5. возможностью одновременно с сигналом датчика передавать по тем же проводам напряжение питания датчика (передатчика).

Обобщенная структурная схема интерфейса “токовая петля” в случае реализации связи между датчиком и контроллером системы сбора информации имеет вид (рисунок 3.1):

Рисунок 3.1 – Структурная схема интерфейса “токовая петля”

На схеме (рисунок 3.1) обозначены:

Д – датчик;

П – передатчик;

КС – контроллер системы;

ИП – источник питания.

Передатчик является основным звеном интерфейса и предназначен для преобразования сигнала датчика в ток линии. В контроллере системы выполняется измерение значения тока линии и определение соответствующего численного значения физической величины.

Выбор ненулевого значения тока (4 mA) в качестве нулевой точки шкалы позволяет:

1. реализовать дистанционное питание передатчика и датчика по сигнальной линии;

2. обнаруживать повреждения в цепи подключения в виде обрыва или короткого замыкания.

Общий ток потребления компонентов на передающей стороне (датчик, передатчик) не должен превышать 4 мА. При этом общий сигнал линии связи является суммой тока потребления компонентов передатчика и датчика (постоянная составляющая) и тока, значение которого определяется преобразуемой величиной (переменная составляющая).

Таким образом П выполняет функцию управления током в линии (переменная составляющая) в соответствии с изменением преобразуемой величины.

Напряжение питания токовой петли находится в пределах 12-36 V.

Интерфейс токовой петли предполагает использование трех типов передатчиков:

1. аналоговый передатчик;

2. интеллектуальный передатчик 1 типа;

3. интеллектуальный передатчик 2 типа.

Аналоговый передатчик обеспечивает преобразование выходного сигнала датчика в значение тока в диапазоне значений 4-20 mA, которое анализируется в контроллере системы. Подключение осуществляется в соответствии со схемой, приведенной выше на рисунке 3.1.

Интеллектуальный передатчик 1 типа состоит из микропроцессора, памяти, АЦП и ЦАП.

Структурная схема имеет следующий вид (рисунок 3.2):

Рисунок 3.2 – Структурная схема интеллектуального передатчика 1 типа

На схеме (рисунок 3.2) обозначены:

Д – датчик;

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь;

МП – микропроцессор;

ЗУ – запоминающее устройство;

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь.

В интеллектуальных передатчиках 1 типа появляется возможность:

1. корректировки нелинейной передаточной характеристики датчика;

2. периодической калибровки;

3. корректировки температурной погрешности (из-за изменения температуры окружающей среды) и погрешностей временного дрейфа;

4. компенсации начального смещения (коррекция нуля и др.);

5. осуществления предварительной обработки сигналов.

Это позволяет освободить контролер системы и повысить метрологические характеристики датчика.

Недостатком является отсутствие двунаправленной связи с контроллером системы.

Интеллектуальный передатчик 2 типа позволяет организовать двунаправленный цифровой канал связи с контроллером системы используя линию передачи сигнала.

При этом помимо передачи данных от датчика к контроллеру системы возможно также передавать от контроллера системы команды управления, значения калибровочных коэффициентов, необходимую информацию для инициализации и идентификации датчика, и проводить дистанционную диагностику неисправностей.

Структурная схема будет иметь следующий вид (рисунок 3.3):

Рисунок 3.3 – Структурная схема интеллектуального передатчика 2 типа

На схеме (рисунок 3.3) дополнительно обозначен:

ККС – контроллер канала связи.

Для передачи цифровых данных между передатчиком и контроллером системы через интерфейс “ токовая петля ” фирмой Rosemount был предложен протокол передачи данных HART (Highway Addressable Remote Transduser).

Данный протокол базируется на адаптированном стандарте Bell 202, использующимся для передачи цифровых данных по телефонным линиям. В HART-протоколе применяется “метод частотной модуляции без разрыва фазы” FSK (Frequency–Shift–Keying), что позволяет минимизировать уровень высокочастотных составляющих в линии.

Для кодирования логического нуля используется частота 2,2 kHz, а для кодирования логической единицы – 1,2 kHz. При этом для передачи логической единицы используется приблизительно один период частоты, а для логического нуля – приблизительно два периода частоты. Передача данных осуществляется в соответствии со следующей временной диаграммой (рисунок3.4):

Рисунок 3.4 – Временная диаграмма HART – сигнала

Поскольку среднее значение синусоиды за период равно нулю, то передаваемый сигнал не влияет на аналоговый сигнал “ токовой петли ” 4…20 mA.

Скорость передачи данных составляет 1200 bit/s. Использование HART-протокола позволяет осуществлять одновременную передачу аналоговой и цифровой информации без модернизации существующих линий связи и оборудования.

Выделение аналогового низкочастотного сигнала осуществляется с помощью ФНЧ. Для эффективного подавления частот манипуляции на стороне приема достаточно установить ФНЧ 1-го порядка c частотой среза 10 Hz, что обеспечивает погрешность передачи аналогового сигнала не более ±0,01% от максимального значения шкалы.

HART-протокол предусматривает ведущие и подчиненные устройства. Ведущие передают сигнал в виде напряжения, а подчиненные – в виде тока.

Функциональная схема интеллектуального передатчика 2 типа с использованием HART-протокола имеет следующий вид (рисунок 3.5):

Рисунок 3.5 – Функциональная схема интеллектуального передатчика 2 типа

На схеме (рисунок 3.5 ) дополнительно обозначено:

МК – микроконтроллер;

I_П – ток петли;

ФВЧ – фильтр высоких частот;

С1, С2 – разделительные конденсаторы;

DN25D – регулирующий транзистор;

F – формирователь; R_k – измерительное сопротивление.

Принцип действия передатчика при передаче аналогового сигнала аналогичен интеллектуальному передатчику 1 рода. Для обмена цифровой информацией дополнительно введен блок состоящий из HART-модема, формирователя и фильтра верхних частот.

Цифровой входной сигнал через разделительную емкость поступает на фильтр верхних частот и далее в HART-модем, осуществляющий его преобразование в обычный цифровой код для последующей передачи в микроконтроллере.

Для передачи цифровой информации сигнал из микроконтроллера поступает на HART-модем и далее на формирователь, где осуществляется формирование частотного сигнала. В ЦАПе осуществляется суммирование частотного сигнала с полезным аналоговым сигналом для передачи в линию. Блок, включающий в себя HART-модем, формирователь и фильтр нижних частот, реализован в интегрированном исполнении (микросхемы HT20C12 фирмы Smart Research Corporation и 20С15 фирмы Symbios Logiс.

Транзистор предназначен для формирования напряжения питания электронных компонентов на уровне 3 — 5 V.

Компоненты интеллектуального передатчика 2 рода должны удовлетворять следующим требованиям:

1) cуммарный ток потребления компонентов не должен превышать 4 mA; 2) должно использоваться только одно напряжение питания: 3 ; 3,3 или 5 V; 3) АЦП и ЦАП должны обеспечивать высокую точность преобразования информации;

4) АЦП должно иметь дифференциальный вход и возможность калибровки; 5) интерфейсы компонентов должны быть совместимы между собой;

6)малые габариты; 7) низкая стоимость.

Указанная для АЦП требованиям удовлетворяет ряд изделий выпускаемых фирмой Analog Devices. Например, АЦП типа AD7713; AD7714; AD7715.

AD7714 – 24-разрядный σ-δ АЦП c возможностью калибровки, работающий при напряжении питания 3 или 5 V с током потребления не более 650μА (в спящем режиме 5 μА). В данном АЦП 3 дифференциальных входа (для подавления помеховых сигналов). В структуре АЦП предусмотрен усилитель с регулируемым от 1 до 128 коэффициентом усиления, а также предусмотрена возможность преобразования однополярных или биполярных сигналов с напряжением ±20mV…±2,5V. Связь с микроконтроллером обеспечивается по трех проводному последовательному интерфейсу.

AD7715 является упрощенной версией AD7714. Отличие состоит в том, что АЦП одноканальный.

AD7713 – 24-разрядный σ-δ АЦП c возможностью калибровки, напряжением питания 5 V; током потребления не более 1,1 mA.

Особенностью является наличие двух встроенных источника тока для трех- или четырехпроводного подключения резистивных датчиков температуры.

Микропроцессор (микроконтроллер) должен отличаться наличием периферийных интерфейсов, позволяющих осуществлять простое соединение с другими элементами, и малым током потребления.

В качестве микроконтроллера могут использоваться следующие типы микросхем : 80L51; MC68HC05; MC68L11; PICLC54; μPD780 c током потребления 50μА – 2mA.

Для интерфейсов “ токовая петля ” разработаны специализированные ЦАП. Примером является ЦАП AD421 фирмы Analog Devices, позволяющий осуществлять управление током линии и контролировать его.

В структуре AD421 предусмотрены 2 высокоточных источника опорного напряжения с напряжением 1,25; 2,5 Vс компенсацией температурного дрейфа. ЦАП позволяет осуществлять регулировку напряжения питания передатчика (рисунок 3.5), как для стандартных значений питания 3; 3,3; 5 V, так и выбирать произвольное значение в диапазоне 3-5 V. Для осуществления этой функции требуется подключение внешнего полевого транзистора (рисунок 3.5).

Интерфейс передачи данных трех проводный SPI. В случае использования данного ЦАП в структуре интеллектуального передатчика 2 типа, он может выполнять функцию модуляции тока согласно HART – протоколу с использованием соответствующих внешних устройств (рисунок 3.5).