Franco Contadini

4-20mA電流環(huán)路是工業(yè)過程監(jiān)控應用中傳輸傳感器信息的常用技術。（傳感器測量物理參數(shù)，如溫度、壓力、速度和液體流速。電流環(huán)路信號對噪聲相對不敏感，其功率可以從遠程供電的電壓中獲得。這使得電流環(huán)路在信息必須長距離傳輸?shù)竭h程位置時特別有用。

簡單的循環(huán)操作

在電流環(huán)路中，傳感器的輸出電壓首先轉換為比例電流，其中4mA通常表示傳感器的零電平輸出，20mA表示滿量程輸出。遠端的接收器將4-20mA電流轉換回電壓，該電壓可由計算機或顯示模塊進一步處理。

典型的4-20mA電流環(huán)路電路由四個元件組成：傳感器/變送器、電壓-電流轉換器、環(huán)路電源和接收器/監(jiān)視器。在環(huán)路供電應用中，傳感器驅動電壓-電流轉換器，其他三個元件串聯(lián)起來形成閉環(huán)（圖 1）。

圖1.4-20mA環(huán)路供電電路示意圖

智能4-20mA變送器

傳統(tǒng)上，4-20mA變送器包括一個現(xiàn)場安裝的器件，該器件感測物理參數(shù)并產生4-20mA標準范圍內的比例電流。為了響應行業(yè)需求，第二代4-20mA變送器，稱為“智能變送器”，使用微控制器（μC）和數(shù)據(jù)轉換器遠程調節(jié)信號。

智能變送器可以歸一化增益和偏移，通過將模擬信號轉換為數(shù)字信號（例如RTD傳感器和熱電偶）來線性化傳感器，使用駐留在μC中的算術算法處理信號，轉換回模擬信號，并將結果作為標準電流沿環(huán)路傳輸。

最新的第三代4-20mA發(fā)送器（圖2）被認為是“智能和智能”的。它們增加了數(shù)字通信，與4-20mA信號共享雙絞線。由此產生的通信通道可以傳輸控制和診斷信號以及傳感器數(shù)據(jù)。

圖2.智能和智能4-20mA變送器示意圖。

智能發(fā)射器使用的通信標準是Hart協(xié)議，該協(xié)議采用頻移鍵控（FSK），并基于貝爾202電話通信標準。數(shù)字信號的第 1 位和第 0 位分別由頻率 1200Hz 和 2200Hz 表示。這些頻率的正弦波疊加在傳感器的直流模擬信號上，以提供同步的模擬和數(shù)字通信（圖 3）。

圖3.同步模擬和數(shù)字通信。

4-20mA模擬信號在此過程中不受影響，因為FSK信號的平均值始終為零。數(shù)字狀態(tài)每秒可以改變兩到三次，而不會中斷模擬信號。允許的最小環(huán)路阻抗為23Ω。

智能、智能 4-20mA 發(fā)送器的基本 μC 要求

μC必須具備三種特定功能才能執(zhí)行這種4-20mA電流環(huán)路應用。μC 需要：

一個串行接口，用于驅動用于數(shù)據(jù)采集的ADC，用于設置環(huán)路電流的DAC。

低功耗，因為當前預算為4mA。

乘法累加單元（MAC），它既實現(xiàn)了應用于輸入信號的數(shù)字濾波器，又對Hart協(xié)議的兩個頻率進行編碼和解碼。

選擇微C

上述必要功能在MAXQ系列RISC μC中均有（圖4）。

圖4.MAXQ μC架構示意圖

模擬功能 MAXQ μC實現(xiàn)多種模擬功能
。時鐘管理方案僅向當前正在使用的塊提供時鐘。例如，如果指令涉及數(shù)據(jù)指針（DP）和算術邏輯單元（ALU），則時鐘僅應用于這兩個塊。該技術可降低功耗并降低開關噪聲。

低功耗 MAXQ μC具有先進的電源管理功能，通過動態(tài)匹配μC處理速度和所需的性能水平，將功耗降至最低。功耗較慢，例如，在活動減少期間。為了施加更大的處理能力，μC提高了其工作頻率。

PMM1：被 256 分頻電源管理模式

PMM2：32kHz 電源管理模式（PMME = 1，其中 PMME 是系統(tǒng)時鐘控制寄存器的 BIT 2）

停止模式（停止 = 1）

濾波信號處理
MAXQ μC內部的MAC實現(xiàn)4-20mA應用所需的信號處理。模擬信號被呈現(xiàn)給ADC，產生的采樣流在數(shù)字域中被濾波?？梢允褂靡韵鹿綄崿F(xiàn)通用篩選器：

y[n] = Σbix[n-i] + Σaiy[n-i]

其中 b我和我分別表征系統(tǒng)的前饋和反饋響應。取決于我和 b我，數(shù)字濾波器可分為有限脈沖響應（FIR）或無限脈沖響應（IIR）。當系統(tǒng)不包含反饋元素（所有我= 0），濾波器為 FIR 類型：

y[n] = Σbix[n-i]

如果兩者都我和 b我元素不為零，但是，過濾器是 IIR 類型。

從上面的FIR濾波器等式中可以看出，主要的數(shù)學運算將每個輸入樣本乘以一個常數(shù)，然后將每個乘積累加到n個值上。這些操作由以下 C 片段說明：

y[n]=0;
for(i=0; i

	MAXQ μC的MAC執(zhí)行該操作的執(zhí)行時間為4 + 5n個周期，代碼空間僅為9個字（而傳統(tǒng)μC和MAC需要12個字）。
move DP[0], #x 			; DP[0] -> x[0]
move DP[1], #b 			; DP[1] -> b[0]
move LC[0], #loop_cnt 		; LC[0] -> number of samples
move MCNT, #INIT_MAC 		; Initialize MAC unit

MAC_LOOP:

move DP[0], DP[0] 			; Activate DP[0]
move MA, @DP[0]++ 			; Get sample into MAC
move DP[1], DP[1] 			; Activate DP[1]
move MB, @DP[1]++ 			; Get coeff into MAC and multiply
djnz LC[0], MAC_LOOP.

	在MAXQ的MAC中，請注意，當?shù)诙€操作數(shù)加載到單元中并且結果存儲在MC寄存器中時，會自動發(fā)生請求的操作。另請注意，MC 寄存器寬度（40 位）在溢出之前可以累積大量 32 位乘法結果。這種能力改進了傳統(tǒng)方法，在傳統(tǒng)方法中，每次原子操作后都必須測試溢出。

	MAXQ2000 μC的獨特功能

	ADI公司MAXQ系列的第一個成員是低功耗、16位RISC微控制器，稱為MAXQ2000。它集成了一個用于液晶顯示器 （LCD） 的接口，可驅動多達 100 個 （-RBX） 或 132 個 （-RAX） 段。MAXQ2000非常適合血糖監(jiān)測，適合于任何要求高性能和低功耗的應用。它的最大工作頻率為 14MHz （VDD > 1.8V） 或 20MHz （VDD > 2.25V）。

	MAXQ2000包括32k字閃存（用于原型設計和小批量生產）、1k字RAM、16個1位定時器和8個或2000個通用同步/異步接收器/發(fā)送器（UART）。為提高靈活性，微控制器內核 （<>.<>V） 和 I/O 子系統(tǒng)采用單獨的電源電壓。超低功耗休眠模式使MAXQ<>非常適合便攜式和電池供電設備。

	MAXQ2000評估板

	功能強大的MAXQ2000 μC可通過評估板（EV）進行評估，評估板是MAXQ2000的完整硬件開發(fā)環(huán)境（圖6）。

	

	圖6.MAXQ2000評估板框圖

	MAXQ2000評估板具有以下特性：

	用于MAXQ2000內核和VDDIO電源軌的板載電源。

	可調電源（1.8V至3.6V），可用于VDDIO或VLCD電源軌。

	用于所有MAXQ2000信號和電源電壓的接頭引腳。

	獨立的液晶子板連接器。

	LCD子板，帶3V，3.5位靜態(tài)LCD顯示屏。

	用于串行UART（線路232）的完整RS-0電平驅動器，包括流量控制線路。

	用于外部中斷和微控制器系統(tǒng)復位的按鈕。

	MAX1407多用途模數(shù)模數(shù)轉換器/DACIC，連接MAXQ2000 SPI總線接口。

	1線接口和1線EEPROM IC。

	條形圖 LED 顯示屏，用于顯示端口引腳 P0.7 至 P0.0 處的電平。

	用于應用程序加載和系統(tǒng)內調試的JTAG接口。

	因此，MAXQ2000評估板具有實現(xiàn)智能4-20mA發(fā)送器所需的全部功能：具有真正乘法累加單元的低功耗μC（用于濾波和音調編碼/解碼）;用于傳感器讀數(shù)的 ADC;以及用于生成模擬輸出信號的DAC（圖7）。通過增加MAX1102等低功耗編解碼器，還可以實現(xiàn)HART調制解調器。

	

	圖7.基于MAXQ4 μC的20-2000mA發(fā)送器

	HART調制解調器實現(xiàn)

	如果系統(tǒng)包括1200Hz和2200Hz（代表位1和0）的音調編碼器，則MAC可用于實現(xiàn)HART調制解調器請求的功能，以及這些頻率的音調檢測。

	要生成所需的正弦波，您可以將遞歸數(shù)字諧振器實現(xiàn)為雙極點濾波器，由以下差分方程描述：

	Xn= k * XN-1， yN-2,

	其中常數(shù) k 等于 2 cos（2π*音調頻率/采樣率）。k的兩個值可以預先計算并存儲在ROM中。例如，以 1200kHz 采樣率產生 8Hz 音調所需的值為 k = 2 cos（2π*1200/8000）。

	您還必須計算使振蕩器開始運行所需的初始脈沖。如果 XN-1和 XN-2都是零，然后每個后續(xù)的 Xn將為零。要啟動振蕩器，請設置 XN-1為零并設置 XN-2如下：

	XN-2= -A*sin[2π（音調頻率/采樣率）]

	假設我們的示例為單位正弦波，此方程簡化為 XN-2= -1sin[（2π（1200/8000）]。若要進一步將其簡化為代碼，請首先初始化兩個中間變量（X1、X2）。X1 初始化為零;X2加載初始激勵值（上面計算）以開始振蕩。因此，要生成正弦波的一個樣本，請執(zhí)行以下操作：
X0 = kX1 - X2
	X2 = X1
	X1 = X0

	計算每個新的正弦值需要一次乘法和一次減法。利用MAXQ μC上的單周期硬件MAC，可以產生如下正弦波：

	
move DP[0], #X1 			; DP[0] -> X1
move MCNT, #INIT_MAC 		; Initialize MAC unit
move MA, #k 				; MA = k
move MB, @DP[0]++ 			; MB = X1, MC=k*X1, point to X2
move MA, #-1 				; MA = -1
move MB, @DP[0]-- 			; MB = X2, MC=k*X1-X2, point to X1
nop 						; wait for result
move @--DP[0], MC 			; Store result at X0.

	因為我們只需要檢測兩個頻率，所以我們使用改進的Goertzel算法，它可以作為簡單的二階濾波器實現(xiàn)（圖8）。

	

	圖8.Goertzel 算法實現(xiàn)為一個簡單的二階濾波器。

	要使用 Goertzel 算法檢測特定頻率，請在編譯時首先使用以下公式計算常量的值：
k = tone frequency/sampling rate
	a1 = 2cos(2πk)

	接下來，將中間變量 D0、D1 和 D2 初始化為零，并對收到的每個樣本 X 執(zhí)行以下操作：
D0 = X + a1*D1 - D2
	D2 = D1
	D1 = D0

	在收到足夠數(shù)量的樣本（205kHz采樣率通常為8個樣本）后，使用D1和D2的最新計算值計算以下內容：
P = D12 + D22 - a1 * D1 * D2.

	P現(xiàn)在包含輸入信號中測試頻率的平方功率的度量。

	為了解碼這兩種音調，我們用兩個過濾器處理每個樣本。 每個篩選器都有自己的 k 值和自己的一組中間變量。每個變量的長度為 16 位，因此整個算法需要 48 字節(jié)的中間存儲。

	審核編輯：郭婷