CN201514284U - 带有hart通信模块的温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种带有HART通信模块的温度传感器，包括信号采集模块、处理器模块以及与处理器模块相连接的HART通信模块。其中，信号采集模块的输出端连接至处理器模块的输入端。HART通信模块包括D/A转换器和HART调制解调器。本实用新型提出的带有HART通信模块的温度传感器支持HART通信协议。通过4～20mA电流信号传递温度采样值，进一步通过HART通信传递高精度采样数值，提高了工业现场模拟信号的精度和传输的可靠性。

Description

带有HART通信模块的温度传感器

技术领域

本实用新型涉及工业自动控制领域，适用于工业温度信号采集和控制，且特别是有关于一种带有HART通信模块的温度传感器。

背景技术

传统的智能传感器或变送器主要是输出1～5V或4～20mA的模拟信号来描述电压、温度、压力和距离等工业现场所需要的模拟信号的变化，这些信号的精度较低且传输过程中易受干扰。

随着电子技术和计算机技术的飞速发展以及现场总线技术的广泛应用，新型的全数字智能传感器在性能上不断向高精确度、高可靠性、高环境适应性的方向发展。然而，由于模拟现场设备大量使用，而且受原投资保值的限制，从模拟传感器到全数字智能传感器的更新还需要很长一段时间。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种带有HART通信模块的温度传感器，通过4～20mA电流信号传递温度采样值，进一步通过HART通信传递高精度采样数值，提高了工业现场模拟信号的精度和传输的可靠性。

本实用新型提出一种带有HART通信模块的温度传感器，包括信号采集模块、处理器模块以及与处理器模块相连接的HART通信模块。其中，信号采集模块的输出端连接至处理器模块的输入端。HART通信模块包括D/A转换器和HART调制解调器。

进一步的，上述信号采集模块包括依次连接的温度传感元件、切换单元、信号调理单元以及A/D转换单元。

进一步的，上述信号采集模块还包括冷端补偿单元，其一端连接于温度传感元件，另一端连接于所述处理器模块。

进一步的，上述温度传感元件为热电阻或热电偶。

进一步的，上述A/D转换单元为MX7705。

进一步的，上述HART调制解调器的芯片为DS8500。

本实用新型的有益效果为，本实用新型提出的带有HART通信模块的温度传感器支持HART通信协议。通过4～20mA电流信号传递温度采样值，进一步通过HART通信传递高精度采样数值。支持多种温度传感元件的信号采集，并可以通过人机接口或HART上位机远程选择温度传感元件的类型以及进行量程、基准等参数的设置。

附图说明

图1所示为根据本实用新型的带有HART通信模块的温度传感器的功能方块示意图。

图2所示为图1中的HART通信模块的电路原理图。

图3所示为图1中的HART通信模块的工作流程图。

具体实施方式

为让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

图1所示为根据本实用新型的带有HART通信模块的温度传感器的功能方块示意图。如图所示，本实施例所提供的带有HART通信模块的温度传感器包括信号采集模块10、处理器模块11、HART通信模块12以及人机接口模块13。

如图1所示，信号采集模块10包括温度传感元件100、切换单元101、信号调理单元102、A/D转换单元103以及冷端补偿单元104。其中，冷端补偿单元104的一端连接于温度传感元件100，另一端连接于处理器模块11。

在本实施例中，温度传感元件100支持热电偶或热电阻不同信号的输入。进一步的，对应不用类型的温度传感元件100具有相对应的信号调理单元102。切换单元101用以实现不同通道之间的切换，例如，对于热电阻和热电偶的感温原理不同，通过模拟开关选择不同的变送通道以进行不同的信号放大和调理。

温度采样值最后经过A/D转换单元103转换后得到高精度的数字信号。在本实施例中，A/D转换单元103为MX7705，它是低功耗、双通道、串行输出模数转换器，包含一个具有数字滤波器的∑-Δ调制器，可达到16位分辨率。MX7705具有片内输入缓冲器和可编程增益放大器(PGA)。针对不同类型的热电偶或热电阻可以选择不同的放大倍数，在其量程范围之内调整信号幅值，提高测量精度。自校准和***校准功能使得MX7705可以修正增益和失调误差。片内的数字滤波器提供可编程的截止频率和数据输出速率，处理∑-Δ调制器的输出。

处理器模块11的输入端连接信号采集模块10的输出端，即信号采集模块10输出信号给处理器模块11。在本实施例中，处理器模块11采用了高性能、低功耗的8位AVR微处理器ATmega16L，它具有16K字节的***内可编程Flash，1K字节的片内SRAM，512字节的EEPROM。

图2所示为图1中的HART通信模块的电路原理图，请一并参考图1。HART通信模块12包括D/A转换器120和HART调制解调器121。

在本实施例中，D/A转换器120具体可为AD421，连接于处理器模块11。如图2所示，ATmega16L通过三线接口CLOCK、DATA和LATCH将数字信号输入AD421，经过AD421转换成4～20mA模拟电流输出。

AD421是ADI公司推出的单片高性能数模转换器，主要由移位寄存器、电压调整器、数模转换器和电流放大器组成。电压调整器由运放、带隙基准和外接FET调整管组成，能够从环路中获取电流。数模转换器采用∑-ΔDAC结构，将16位数字码转换为4～20mA模拟电流。AD421在时钟信号的控制下，移位寄存器把DATA引脚上的数据逐次读入，转换为相应的电流信号，经过电容C5、C6、C7的三级滤波，满足HART信号截止频率双极点低通滤波特性。数模转换器输出的电流信号经过精密放大器放大，控制LOOP TRN引脚电流。

在本实施例中，HART调制解调器121的芯片为DS8500。该器件满足HART协议物理层规范要求，集成了1200Hz/2200HzFSK信号调制、解调功能，具有极低功耗，并且由于集成了数字信号处理功能，只需很少的外部器件。

具体来说，DS8500接收叠加在4～20mA环路上的HART信号。通过R3和C11组成的低通滤波器，阻断了10KHzS以上的高频干扰信号。C10与R4组成高通滤波器，隔断了电流环上的直流分量，使叠加在电流环上的交流信号得到分离。

若DS8500检测到FSK频移键控信号，则将1200Hz的信号解调为“1”，将2200Hz信号解调为“0”，并通过串口通信传输给ATmega16L，ATmega16L接收命令帧并作相应的数据处理。进一步的，DS8500连接于ATmega16L的通用串行通信接口，具体来说，ATmega16L的通用串行收发模块UART的接口信号包括载波检测OCD、HART解调输出D_OUT、来自UART的HART调制输入D_IN和请求发送RTS。

随后，ATmega16L经过数据处理产生要发回的应答帧，应答帧的数字信号经过外部电阻电容和DS8500内部电路完成接收信号的带通滤波和放大，调制成相应的1200Hz和2200Hz的FSK频移键控信号。调制好的数据经过内部整形电路处理后由管脚FSK_OUT输出，通过电容C7耦合到AD421内部，然后叠加到环路上传输。其中，HART调制解调的时钟信号源于外接的晶体产生的振荡。

本实用新型的软件设计包括温度测控程序和HART通信模块的工作流程程序。其中，温度测控程序包括信号的采集和数据滤波处理、量程切换以及非线性补偿运算。进一步的，非线性补偿运算采用了模糊查表运算方法。

图3所示为图1中的HART通信模块的工作流程图。如图3所述，HART通信模块12(见图1)的通信过程首先由主机(上位机)发送命令帧发起，本实用新型作为从设备使用中断调用子程序的方法完成接收和应答。

本实用新型上电或看门狗复位后，主程序首先对HART通信模块12进行初始化，设定UART的工作方式、串行通信波特率、数据帧格式、清通信缓冲区、开中断等，之后将其设置为等待状态。

上位机发送命令时，DS8500的载波检测输出OCD变为低电平，触发UART中断，程序进入接收过程。MCU完成主机命令的接收、解释并执行相应的操作后，按一定格式生成应答帧并送入发送缓冲区，完成发送后再次将HART通信模块12设置为等待状态。

本实用新型中所述具体实施案例仅为本实用新型的较佳实施案例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本实用新型的技术范畴。

Claims (6)

1.一种带有HART通信模块的温度传感器，包括信号采集模块与处理器模块，所述信号采集模块的输出端连接至处理器模块的输入端，其特征在于，还包括与处理器模块相连接的HART通信模块，所述HART通信模块包括D/A转换器和HART调制解调器。

2.根据权利要求1所述的带有HART通信模块的温度传感器，其特征在于，所述信号采集模块包括依次连接的温度传感元件、切换单元、信号调理单元以及A/D转换单元。

3.根据权利要求2所述的带有HART通信模块的温度传感器，其特征在于，所述信号采集模块还包括冷端补偿单元，其一端连接于温度传感元件，另一端连接于所述处理器模块。

4.根据权利要求2所述的带有HART通信模块的温度传感器，其特征在于，所述温度传感元件为热电阻或热电偶。

5.根据权利要求2所述的带有HART通信模块的温度传感器，其特征在于，所述A/D转换单元为MX7705。

6.根据权利要求1所述的带有HART通信模块的温度传感器，其特征在于，所述HART调制解调器的芯片为DS8500。

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