hart通用压力变送器的设计

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1、HART通用压力变送器的设计摘要：本文首先阐述了目前压力变送器采用的传感器种类，并说明采用传统的信号处理电路需要不同的电路与之配合使用，造成产品种类较多，不宜量产。然后本文详细介绍了一种崭新的设计思想，采用这种电路能支持各种压力传感器，包括陶瓷电容、陶瓷压阻、扩散硅、蓝宝石、溅射薄膜、应变片、称重传感器、3051/1151传感器、单晶硅压力、二～四线电阻等连接。新电路可以提供软件可控的恒压、恒流输出给传感器，并可以采集两路差分或四路单端输入信号（用于传感器温度漂移补偿），主电路拥有很小尺寸32.4mm×22.6mm×5.6mm（该尺寸可以用于原模拟投入式仪

2、表的壳体，并将在2005年底推出29.5mm×21.5mm×5.1mm姊妹产品应用于1英寸直径投入式壳体的产品）。本文同时介绍了压力变送器采用的四级抗干扰保护措施以及他们的功用，并介绍树脂密封主电路和六面电磁屏蔽的设计方法，这些特殊设计使产品拥有了极高的可靠性和良好的抗干扰特性。最后，本文给出了通用压力变送器的主要指标和典型应用图，并列举了其在HART数据通信方面的特点和优势（恢复出厂设置、可控传感器增益等）。第一节需求的提出压力变送器是工业控制系统使用最多的设备之一，目前压力变送器使用的传感器种类较多，有陶瓷电容、陶瓷压阻、扩散硅、蓝宝石、溅射薄膜、应变

3、片、称重传感器、3051/1151类金属电容式传感器、单晶硅压力（差压）传感器、霍尔传感器等。由于这些传感器的负载阻抗、激励方式、输出信号灵敏度、补偿方式均不相同（参阅表1），所以以往的变送器均有不同的配套电路与相应的传感器配合，产品种类较多，给生产制造部门和采购部门带来很多不便，另外也使供货周期延长。表1：部分压力传感器典型特性（各厂家实际传感器可能有较大差别）传感器陶瓷电容扩散硅溅射薄膜应变片称重传感器霍尔传感器特性负载阻抗内有电路2K～10KΩ约5K200Ω～10K350Ω～2K350Ω～1K恒压恒流恒压恒流激励方式恒流1.0mA恒流1.0mA5.0

4、V/2mA0.5~1.0mA5.0V/1mA1.0mA±3mV～±±1mV～±±300uV～输出信号范围0.5V～4.5V约5.0mV3.0～5.0mV85mV100mV±5.0mV内部自补偿零点量程电双传感器自温度补偿方式多点补偿零量补偿不必要电路阻补偿补偿第二节新电路结构与工作原理能不能设计一种信号处理电路，配合软件控制，能满足所有的压力传感器的使用需求呢？答案是肯定的。我们设计了一款如下信号处理电路结构（见图1），压力变送器总体电路原理框图见图2。图1信号处理电路框图电压0～LCD5V电源电流0～显示按键RS23程序驱动ADPGA智能AD带保PGA总

5、线持功SPI/HAR发送带通电路滤波HAR图2压力变送器总体电路框图本电路的工作原理如下：首先根据传感器的激励要求，由CPU设定DA转换器的输出电压值，该电压值可直接用于驱动需要恒压激励的传感器；DA转换器的输出电压再经过配有镜像电流源的电流转换器，输出相应的传感器激励电流。该镜像电流源的选用对兼容电压驱动的传感器有至关重要的作用，它能使传感器在使用电流激励时另一端接地，这样就能在各种情况下，满足AD转换器前端的程控放大器（PGA）的输入信号共模要求。得到正确激励的压力传感器能输出一个对应实际压力的电压值，该电压值可能小至300uV也可能达到4.5V。为了

6、使各种传感器都能得到良好的采集精度，必须正确设置AD前端的PGA，在300uV时，设置PGA为最大值128倍，可使AD输入达到38.4mV，对应AD的2.5V的采集范围，浪费了最高的6位数据，但由于ADC可以达到实际18位的有效精度，因此该信号实际的测试结果可以得到12位的转换精度；在4.5V时，PGA为最小值1，它此时的采集范围可达到5.0V（使用±2.5V档），满足采集要求。电路中设置的4输入信号切换开关，可以采集更多通道的数据，比如用于传感器温度漂移补偿的温度传感器。由于切换开关还可以把AD的某一输入端切换到模拟地，所以该系统可采集两路差分信号或四路

7、单端输入信号（当然也可以采集一路差分和两路单端输入信号）。全部电路还包含供电电源电路、HART数据通信电路、LCD显示接口、ISP程序升级接口等，最终与信号处理电路及CPU模块组成一个完整的通用压力变送器电路。第三节新电路功能描述®本电路是符合HART协议的高集成高性能压力变送器电路主卡，内含24位高分辨率Σ-Δ模数转换器，4通道多路开关，输入缓存器，可编程增益放大器（PGA），温度传感器，内部低温漂基准电压源，MCS51内核，高可靠数据EEPROM，16位数模转换器，程序/数据FLASH存储器和数据RAM，集成HART调制解调器等。功能描述图如图3所示

8、。图3压力变送器电路部分的功能描述图24位Σ-Δ模数转换器本电路包