專利名稱：帶有hart通信模塊的溫度傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及工業自動控制領域，適用于工業溫度信號采集和控制，且特別是 有關于一種帶有HART通信模塊的溫度傳感器。
背景技術：
傳統的智能傳感器或變送器主要是輸出1 5V或4 20mA的模擬信號來描述電 壓、溫度、壓力和距離等工業現場所需要的模擬信號的變化，這些信號的精度較低且傳輸過 程中易受干擾。 隨著電子技術和計算機技術的飛速發展以及現場總線技術的廣泛應用，新型的全 數字智能傳感器在性能上不斷向高精確度、高可靠性、高環境適應性的方向發展。然而，由 于模擬現場設備大量使用，而且受原投資保值的限制，從模擬傳感器到全數字智能傳感器 的更新還需要很長一段時間。
實用新型內容本實用新型的目的在于提供一種帶有HART通信模塊的溫度傳感器，通過4 20mA 電流信號傳遞溫度采樣值，進一步通過HART通信傳遞高精度采樣數值，提高了工業現場模 擬信號的精度和傳輸的可靠性。 本實用新型提出一種帶有HART通信模塊的溫度傳感器，包括信號采集模塊、處理
器模塊以及與處理器模塊相連接的HART通信模塊。其中，信號采集模塊的輸出端連接至處
理器模塊的輸入端。HART通信模塊包括D/A轉換器和HART調制解調器。 進一步的，上述信號采集模塊包括依次連接的溫度傳感元件、切換單元、信號調理
單元以及A/D轉換單元。 進一步的，上述信號采集模塊還包括冷端補償單元，其一端連接于溫度傳感元件， 另 一端連接于所述處理器模塊。 進一步的，上述溫度傳感元件為熱電阻或熱電偶。 進一步的，上述A/D轉換單元為MX7705 。進一步的，上述HART調制解調器的芯片為DS8500。 本實用新型的有益效果為，本實用新型提出的帶有HART通信模塊的溫度傳感器 支持HART通信協議。通過4 20mA電流信號傳遞溫度采樣值，進一步通過HART通信傳遞 高精度采樣數值。支持多種溫度傳感元件的信號采集，并可以通過人機接口或HART上位機 遠程選擇溫度傳感元件的類型以及進行量程、基準等參數的設置。
圖1所示為根據本實用新型的帶有HART通信模塊的溫度傳感器的功能方塊示意 圖。 圖2所示為圖1中的HART通信模塊的電路原理圖。[0014] 圖3所示為圖1中的HART通信模塊的工作流程圖。
具體實施方式
為讓本實用新型的上述和其它目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實 施例，并配合附圖，作詳細說明如下。 圖1所示為根據本實用新型的帶有HART通信模塊的溫度傳感器的功能方塊示意 圖。如圖所示，本實施例所提供的帶有HART通信模塊的溫度傳感器包括信號采集模塊10、 處理器模塊11、HART通信模塊12以及人機接口模塊13。 如圖1所示，信號采集模塊10包括溫度傳感元件100、切換單元101、信號調理單 元102、A/D轉換單元103以及冷端補償單元104。其中，冷端補償單元104的一端連接于 溫度傳感元件IOO，另一端連接于處理器模塊11。 在本實施例中，溫度傳感元件100支持熱電偶或熱電阻不同信號的輸入。進一步 的，對應不用類型的溫度傳感元件IOO具有相對應的信號調理單元102。切換單元101用以 實現不同通道之間的切換，例如，對于熱電阻和熱電偶的感溫原理不同，通過模擬開關選擇 不同的變送通道以進行不同的信號放大和調理。 溫度采樣值最后經過A/D轉換單元103轉換后得到高精度的數字信號。在本實施 例中，A/D轉換單元103為MX7705，它是低功耗、雙通道、串行輸出模數轉換器，包含一個具 有數字濾波器的E -A調制器，可達到16位分辨率。MX7705具有片內輸入緩沖器和可編程 增益放大器(PGA)。針對不同類型的熱電偶或熱電阻可以選擇不同的放大倍數，在其量程范 圍之內調整信號幅值，提高測量精度。自校準和系統校準功能使得MX7705可以修正增益和 失調誤差。片內的數字濾波器提供可編程的截止頻率和數據輸出速率，處理E -A調制器 的輸出。 處理器模塊11的輸入端連接信號采集模塊10的輸出端，即信號采集模塊10輸出 信號給處理器模塊11。在本實施例中，處理器模塊11采用了高性能、低功耗的8位AVR微 處理器ATmegal6L，它具有16K字節的系統內可編程Flash，lK字節的片內SRAM，512字節的 EEPROM。 圖2所示為圖1中的HART通信模塊的電路原理圖，請一并參考圖1。 HART通信模 塊12包括D/A轉換器120和HART調制解調器121。 在本實施例中，D/A轉換器120具體可為AD421，連接于處理器模塊11。如圖2所 示，ATmegal6L通過三線接口 CLOCK、DATA和LATCH將數字信號輸入AD421，經過AD421轉換 成4 20mA模擬電流輸出。 AD421是ADI公司推出的單片高性能數模轉換器，主要由移位寄存器、電壓調整 器、數模轉換器和電流放大器組成。電壓調整器由運放、帶隙基準和外接FET調整管組成， 能夠從環路中獲取電流。數模轉換器采用E _ ADAC結構，將16位數字碼轉換為4 20mA 模擬電流。AD421在時鐘信號的控制下，移位寄存器把DATA引腳上的數據逐次讀入，轉換為 相應的電流信號，經過電容C5、C6、C7的三級濾波，滿足HART信號截止頻率雙極點低通濾波 特性。數模轉換器輸出的電流信號經過精密放大器放大，控制LOOP TRN引腳電流。 在本實施例中，HART調制解調器121的芯片為DS8500。該器件滿足HART協議物 理層規范要求，集成了 1200Hz/2200HzFSK信號調制、解調功能，具有極低功耗，并且由于集成了數字信號處理功能，只需很少的外部器件。 具體來說，DS8500接收疊加在4 20mA環路上的HART信號。通過R3和Cll組 成的低通濾波器，阻斷了 10KHzS以上的高頻干擾信號。C10與R4組成高通濾波器，隔斷了 電流環上的直流分量，使疊加在電流環上的交流信號得到分離。 若DS8500檢測到FSK頻移鍵控信號，則將1200Hz的信號解調為"1 "，將2200Hz信 號解調為"0"，并通過串口通信傳輸給ATmegal6L， ATmegal6L接收命令幀并作相應的數據 處理。進一步的，DS8500連接于ATmegal6L的通用串行通信接口 ，具體來說，ATmegal6L的 通用串行收發模塊UART的接口信號包括載波檢測0CD、HART解調輸出DJ)UT、來自UART的 HART調制輸入D_IN和請求發送RTS。 隨后，ATmegal6L經過數據處理產生要發回的應答幀，應答幀的數字信號經過外 部電阻電容和DS8500內部電路完成接收信號的帶通濾波和放大，調制成相應的1200Hz和 2200Hz的FSK頻移鍵控信號。調制好的數據經過內部整形電路處理后由管腳FSKJ)UT輸 出，通過電容C7耦合到AD421內部，然后疊加到環路上傳輸。其中，HART調制解調的時鐘 信號源于外接的晶體產生的振蕩。 本實用新型的軟件設計包括溫度測控程序和HART通信模塊的工作流程程序。其 中，溫度測控程序包括信號的采集和數據濾波處理、量程切換以及非線性補償運算。進一步 的，非線性補償運算采用了模糊查表運算方法。 圖3所示為圖1中的HART通信模塊的工作流程圖。如圖3所述，HART通信模塊 12(見圖1)的通信過程首先由主機(上位機)發送命令幀發起，本實用新型作為從設備使 用中斷調用子程序的方法完成接收和應答。 本實用新型上電或看門狗復位后，主程序首先對HART通信模塊12進行初始化，設 定UART的工作方式、串行通信波特率、數據幀格式、清通信緩沖區、開中斷等，之后將其設 置為等待狀態。 上位機發送命令時，DS8500的載波檢測輸出OCD變為低電平，觸發UART中斷，程 序進入接收過程。MCU完成主機命令的接收、解釋并執行相應的操作后，按一定格式生成應 答幀并送入發送緩沖區，完成發送后再次將HART通信模塊12設置為等待狀態。 本實用新型中所述具體實施案例僅為本實用新型的較佳實施案例而已，并非用來 限定本實用新型的實施范圍。即凡依本實用新型申請專利范圍的內容所作的等效變化與修 飾，都應作為本實用新型的技術范疇。
權利要求一種帶有HART通信模塊的溫度傳感器，包括信號采集模塊與處理器模塊，所述信號采集模塊的輸出端連接至處理器模塊的輸入端，其特征在于，還包括與處理器模塊相連接的HART通信模塊，所述HART通信模塊包括D/A轉換器和HART調制解調器。
2. 根據權利要求1所述的帶有HART通信模塊的溫度傳感器，其特征在于，所述信號采 集模塊包括依次連接的溫度傳感元件、切換單元、信號調理單元以及A/D轉換單元。
3. 根據權利要求2所述的帶有HART通信模塊的溫度傳感器，其特征在于，所述信號采 集模塊還包括冷端補償單元，其一端連接于溫度傳感元件，另一端連接于所述處理器模塊。
4. 根據權利要求2所述的帶有HART通信模塊的溫度傳感器，其特征在于，所述溫度傳 感元件為熱電阻或熱電偶。
5. 根據權利要求2所述的帶有HART通信模塊的溫度傳感器，其特征在于，所述A/D轉 換單元為MX7705。
6. 根據權利要求1所述的帶有HART通信模塊的溫度傳感器，其特征在于，所述HART調 制解調器的芯片為DS8500。
專利摘要本實用新型提出一種帶有HART通信模塊的溫度傳感器，包括信號采集模塊、處理器模塊以及與處理器模塊相連接的HART通信模塊。其中，信號采集模塊的輸出端連接至處理器模塊的輸入端。HART通信模塊包括D/A轉換器和HART調制解調器。本實用新型提出的帶有HART通信模塊的溫度傳感器支持HART通信協議。通過4～20mA電流信號傳遞溫度采樣值，進一步通過HART通信傳遞高精度采樣數值，提高了工業現場模擬信號的精度和傳輸的可靠性。
文檔編號G01K7/16GK201514284SQ200920236089
公開日2010年6月23日 申請日期2009年9月23日 優先權日2009年9月23日
發明者陳柏志 申請人:伊瑪精密電子(蘇州)有限公司