Cree un transmisor de instrumentos de proceso analógico inteligente con convertidores de baja potencia y un microcontrolador

Un transmisor analógico es un dispositivo montado en campo que detecta un parámetro físico como la presión o la temperatura y emite una corriente proporcional a la variable medida en el rango estándar, de 4 a 20 mA. Proporcionar la corriente de salida en un bucle de par trenzado tiene muchas ventajas: la señal de medición es insensible al ruido y no se ve afectada por cambios en la resistencia del bucle; los emisores que cumplen con el estándar son intercambiables; y la energía requerida para alimentar los circuitos del transmisor se puede extraer de un voltaje de bucle suministrado de forma remota. La Figura 1 muestra un circuito transmisor convencional, que consta de una fuente de alimentación, un transmisor de manejo de corriente y un controlador de recepción.

Figura 1. Transmisor analógico.

El diseño del transmisor satisfizo las demandas de los usuarios de rendimiento y flexibilidad mejorados, así como costos y mantenimiento reducidos. Un «transmisor analógico inteligente» de segunda generación tiene un microprocesador (y conversión de datos) para proporcionar memoria remota y poder de cómputo (Figura 2). Puede acondicionar la señal de forma remota antes de convertirla en corriente y transmitirla de vuelta al controlador. Por ejemplo, puede normalizar la ganancia y la compensación, linealizar sensores con no linealidades conocidas (como RTD y termopares) mediante la conversión a digital, manejar algoritmos aritméticos en µP, volver a convertir a analógico y transmitir en el bucle como estándar actual. Esto reduce la carga de procesamiento de señales de la sala de control, una gran ventaja si es necesario procesar una gran cantidad de señales.

Figura 2
Figura 2. Transmisor inteligente.

Los transmisores «inteligentes e inteligentes» de tercera generación contribuyen a la comunicación digital, compartiendo la misma línea de par trenzado que la señal «CC» tradicional de 4-20 mA (Figura 3). El canal de comunicación permite transmitir versiones analógicas y digitales de la variable medida a través del par complejo, así como señales de control y datos de diagnóstico relacionados con el transmisor, como coeficientes de calibración, ID del dispositivo y datos relevantes para el diagnóstico de fallas. Las fallas del transmisor se pueden diagnosticar de forma remota, lo cual es muy útil para los transmisores en áreas peligrosas.

El Protocolo Hart es el de facto un estándar de comunicación utilizado por los transmisores inteligentes. Utiliza teclas de cambio de frecuencia (FSK), basadas en el estándar Bell 202. Los datos se transmiten a 1200 bps, cambiando entre 2,2 kHz («0») y 1,2 kHz («1»).

imagen 3
Figura 3. Transmisor inteligente.

Selección de componentes para diseños de transmisores analógicos inteligentes: La Figura 4 muestra un circuito que implementa el transmisor inteligente de la Figura 2. Las siguientes secciones analizan los factores de diseño del transmisor inteligente y presentan alternativas. Además del bajo costo, la restricción más importante es que todo el circuito consume menos de 3,5 mA (la configuración de «alarma baja», 0,5 mA por debajo del umbral de señal de 4 mA), para permitir que el transmisor de bucle funcione.

Figura 4
Figura 4. Detalles del transmisor inteligente.

Convertidor A/D: Otros criterios importantes de selección de CDA son:

  • alto nivel de integración para reducir el número de componentes iniciales
  • alta resolución para cumplir con la resolución y precisión requeridas del sistema
  • Operación de suministro único en suministro de 3 V o 5 V
  • Funciones de calibración para eliminar errores de componentes o sistemas debidos a variaciones de tiempo y temperatura.

AD7713, AD7714 y AD7715 cumplen con estos criterios y son adecuados para usar en la parte frontal de cualquier transmisor inteligente.

el es AD7714 es un front-end multicanal completamente analógico (3 diferenciales, 5 de un solo extremo) para aplicaciones de baja frecuencia. Puede aceptar señales de bajo nivel directamente desde el transductor (Figura 5), ​​tiene un amplificador de ganancia programable (PGA) en el chip, que se puede configurar para ganancias de 1 a 128. Los amplificadores de instrumentación frontales son innecesarios en la mayoría de las aplicaciones que utilizan el AD7714.

Figura 5
Figura 5. Conexión de una interfaz de transductor al CAN AD7714.

La referencia se puede derivar del voltaje de excitación del sensor para aplicaciones de medición de relación.

Su arquitectura sigma-delta es capaz de lograr un rendimiento de hasta 24 bits sin perder códigos. La operación es desde un solo suministro de 3 o 5 V, consumiendo 650 µA (< 5 µA en modo apagado). El AD7714 tiene una entrada de referencia diferencial. Su rango de señal de entrada es de 0 a +20 mV a 0 a +2,5 V, unipolar, dependiendo de la configuración de ganancia de PGA, y de ±20 mV a ±2,5 V bipolar. Su interfaz serial se puede configurar para operación de 3 hilos que se aísla fácilmente mediante un microcontrolador en un circuito de transmisor inteligente.

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El µC puede realizar periódicamente calibraciones, errores de ganancia y compensación y variará con el tiempo y la temperatura en el dispositivo mismo o en el sistema como un todo. Las funciones de calibración incluyen calibración automática, de fondo y del sistema. Los programas de calibración en chip permiten a los OEM realizar la calibración de fábrica, almacenar coeficientes en la memoria y volver a escribirlos en el dispositivo en el campo.

el es AD7715 Es esencialmente una versión de 1 canal y 16 bits del AD7714, que incluye todas las funciones, incluidos PGA y rangos de señal de entrada, referencia diferencial, funciones de calibración, operación V de suministro único de 3 V o 5 V e interfaz serial de 3 hilos.

AD7713 es un front-end analógico completo de 24 bits para mediciones de baja frecuencia. Ambos canales de entrada analógica diferencial de bajo nivel pueden recibir señales directamente desde un transductor. También acepta entrada no balanceada de alto nivel (hasta cuatro veces la referencia). Tiene una entrada de referencia diferencial y dos fuentes de corriente en chip disponibles; se pueden utilizar para la excitación en circuitos detectores de temperatura de resistencia (RTD) de 3 y 4 hilos. Los ajustes de ganancia, la polaridad de la señal y el control de corriente RTD se pueden configurar en el software mediante el puerto serie bidireccional. El AD7713 también es capaz de autocalibrarse, calibrarse el sistema y calibrarse en segundo plano para evitar errores de cero y escala completa.

Tabla de selección de ADC

CDASecretoCanales de entradaTensión de alimentaciónConsumo actual*Opciones de paquete
AD771416/243 completamente diferencial
o 5 asimétricas
3V/5V500 µA a 3 V
670 µA a 5 V
DIP de 24 pines,
SOC de 24 derivaciones,
SSOP de 28 derivaciones
AD7715dieciséis1 diferencial total3V/5V450 µA a 3 V
650 µA a 5 V
DIP de 16 pines,
SOC de 16 derivaciones
AD771316/242 completamente diferencial
y 1 asimétrico
5V1,1 mADIP de 24 pines,
SOC de 24 derivaciones
* Los valores de consumo actuales se basan en el uso de un reloj maestro de 1 MHz.

Microaleación: El microcontrolador (µC) es el motor del transmisor inteligente; controla la transferencia general de información desde los sensores al bucle actual. Las capacidades de memoria y procesamiento del µC permiten calibraciones periódicas, acondicionamiento de señales, corrección de errores, compensación de temperatura y linealización, todo en una ubicación remota alimentada por voltaje de bucle. Además del bajo costo y el bajo consumo de energía, µC debe tener estas características para un transmisor inteligente:

  • Memoria. Debe tener suficiente ROM y RAM para implementar todas las funciones del software (programa de arranque más procesamiento de datos) sin memoria externa; Esto reduce el número de componentes, el espacio de la placa y el consumo de energía en el sistema.
  • puerto de comunicación en serie para proporcionar una interfaz interna a la entrada ADC y la salida DAC para el control y la transferencia de datos. El aislamiento galvánico se implementa fácilmente con unos pocos optoaisladores.
  • baja velocidad de reloj para minimizar el consumo de energía, que suele ser directamente proporcional a la velocidad del reloj en los dispositivos CMOS.

La tabla recomienda µC con suficiente memoria en el chip y un consumo de energía lo suficientemente bajo para conectar la energía e implementar las funciones «inteligentes» requeridas por un transmisor normal.

Opciones de microcontrolador

Microaleación*ROM en chipRAM en un chipConsumo de energía
80L514K×8128 bytes × 8

1.7mA (Vcc=3V, Fclk=3.58MHz)

50 µA (Vcc=3 V, Fclk=32 kHz)

10 µTipo en modo desenergizado

MC68HC056160 bytes224 bytes

0.8mA (Vcc=5V, Fclk=100kHz)

0.7mA (Vcc=3V, Fclk=100kHz)

32 µA a 5 V, 20 µA a 3 V en modo apagado

PICLC 54EEPROM de 512 bytes25 bytes1.8mA (Vcc=5V, Fclk=4MHz)
14 µA (Vcc=3 V, Fclk=32 kHz
5 µA en modo apagado
MC68L1116K512 bytes2mA (Vcc=3V, Fclk=500kHz)
PD780xx8K a 32K256 bytes
en 1024 bytes
120 µA (Vcc=5 V, Fclk=32 kHz)
64 µA (Vcc=3 V, Fclk=32 kHz)
1.8mA (Vcc=3V, Fclk=5MHz)
*Estos microcontroladores no son productos de Analog Devices.

Convertidor D/A: En el transmisor inteligente, el DAC es la forma de conducir y controlar el bucle actual. Los ejemplos que consideraremos aquí incluyen transmisores de potencia remotos de 2 hilos.*

El convertidor D/A y el circuito controlador de bucle de corriente deben tener una resolución comparable a la del circuito preacondicionador y el ADC; y el DAC debe ser monótono, porque la variable de proceso (PV) puede ser parte de un lazo de control. Estos, junto con una corriente de suministro lo suficientemente baja como para mantener el consumo aislado total del suministro de bucle por debajo de 3,5 mA, son los requisitos mínimos. Por supuesto, se debe incluir el consumo de corriente especificado del circuito DAC, la precisión de referencia y la corriente de reposo del amplificador de salida. El rango de temperatura de funcionamiento debe ser suficiente para mantener las especificaciones generales requeridas sin una corriente excesiva en un entorno industrial. Otros requerimientos:

  • Chip altamente integrado para la reducción total de componentes
  • Alta resolución para cumplir con los requisitos de precisión y resolución del sistema
  • Operación de suministro único en suministros de 3V o 5V.

Los circuitos integrados monolíticos AD421 y AD422 están diseñados específicamente para aplicaciones industriales de control de bucle de corriente. Ambos dispositivos proporcionan las funciones necesarias para el funcionamiento del transmisor remoto.

el AD421* es un bucle DAC sigma-delta controlado por corriente implementado en BiCMOS para alta resolución y precisión. Se completa con dos referencias de precisión y un regulador de tensión. El DAC tiene una resolución de 16 bits para operar en el rango de programa de 4 a 20 mA (rango de 16 mA) y un bit adicional para la programación opcional de corrientes de alarma en el rango de 0 a 32 mA. La salida DAC proporciona el punto de ajuste para el circuito de control de corriente de bucle en el AD421. Este circuito esclaviza al lazo de corriente para que siga su punto de ajuste midiendo la corriente de retroalimentación y manipulando la corriente consumida en su terminal Boost. Las referencias de precisión de 1,25 V y 2,5 V, ajustadas por láser y compensadas por temperatura para baja corriente, eliminan la necesidad de referencias independientes. Se pueden utilizar como entrada de referencia para el DAC (2,5 V) y el ADC.

*En la mayoría de las aplicaciones industriales, la energía y las señales (o variables de proceso) comparten el mismo cableado que las ubicaciones remotas. La interfaz de 4-20 mA se puede utilizar para transmitir cantidades medidas o para enviar una señal de control a una válvula o actuador. Los actuadores pueden usar más energía de la que se puede derivar efectivamente de una señal de bucle de 4-20 mA, por lo que generalmente se conectan como dispositivos de cuatro hilos, dos para la señal de control y un par separado para la alimentación del dispositivo.

El AD421 incorpora un regulador de voltaje ajustable, que alimenta todo el circuito del transmisor remoto, incluido el propio AD421. El controlador tiene configuraciones seleccionables para operación de 3V, 3.3V y 5V y se puede programar para cualquier voltaje de 3-5V con una resistencia externa adecuada. Se requiere un transistor de paso de modo de agotamiento externo para implementar esta función de regulador; debe ser capaz de suministrar toda la corriente requerida por el transmisor. El AD421 está disponible en una pequeña carcasa de montaje en superficie perimetral, que encaja muy bien en carcasas a prueba de explosiones llenas de gente.

Además de los beneficios de la integración, otra ventaja es que se especifica el rendimiento del control de bucle actual del dispositivo, lo que elimina la necesidad de calcular presupuestos de errores asociados con múltiples dispositivos. El AD421 cuenta con una interfaz de tipo SPI de tres hilos que permite una interfaz fácil y eficiente con la mayoría de los microcontroladores. y requiere una cantidad mínima de optoaisladores si se requiere aislamiento de vapor del bucle del transductor para la seguridad intrínseca.

El AD421 fue diseñado para su uso en aplicaciones de transmisores inteligentes e inteligentes. Los transmisores inteligentes (Figura 4), aunque su funcionamiento es digital, simplemente emiten una corriente de bucle analógica que es proporcional a la variable del proceso en un rango de 16 mA (4-20 mA). Los transmisores inteligentes añaden otra dimensión de funcionalidad (ver cuadro). El transmisor puede enviar una señal PV sobre el bucle de corriente en forma analógica y puede transmitir y recibir información digital modulando la corriente en el bucle. Las señales digitales se envían y reciben utilizando un circuito de módem, que convierte y transmite los niveles digitales como corrientes moduladas y convierte la corriente modulada recibida en una corriente digital y cero. El AD421 se puede interconectar con un módem independiente; su bucle de control de corriente proporciona un nodo de entrada adecuado para acoplar la señal de modulación de un módem HART externo, como el 20C15 de Symbios Logic. El módem separado se conecta digitalmente al microcontrolador o UART, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6
Figura 6. Complete el transductor inteligente de la Figura 4 con un módem HART discreto.

Nuevo dispositivo, AD422, la complejidad física de los transmisores inteligentes se reduce utilizando el protocolo HART. Combina los bloques funcionales del AD421 (regulador de voltaje, DAC, lazo de control de corriente y referencias) con un módem HART y algunos circuitos de supervisión (reloj de reloj, entrada de alarma y generador de reinicio): ¡el chip completo! Es una solución altamente integrada específicamente para el diseño de transmisores inteligentes (Figura 7), con un número de componentes significativamente reducido.

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Figura 7. Completar un transmisor inteligente con AD422

protocolo de Hart

el es de facto El estándar para la comunicación en bucles de corriente de 4 a 20 mA en aplicaciones industriales es el protocolo Highway Addressable Remote Transducer (HART), desarrollado por Rosemount, Inc. originalmente, pero ahora apoyado por la Fundación HART para el público en general. El protocolo está adaptado del estándar de telefonía Bell 202 FSK (Frequency-Shift Keying): la corriente de bucle se transmite a 1200 bits/segundo en una de dos frecuencias de fase continua, 1,2 kHz «marca» (1 ) o 2,2 kHz «espacio «(0) . Las señales de CA correctamente filtradas no afectan el valor continuo de la medición. HART opera un Maestro esclavo protocolo; un dispositivo remoto solo responde «querido» cuando se dirige al maestro.

Como los transmisores inteligentes son instrumentos remotos sin otro medio de comunicación que la señal fotovoltaica analógica, no se les puede sondear para obtener información de estado (pero hay un bit de alarma adicional disponible para corrientes de salida inferiores a 4 mA o superiores a 20 mA). Los transmisores inteligentes, sin embargo, pueden comunicarse de forma interactiva con la sala de control para que se pueda consultar la información de estado detallada en cualquier momento. Los circuitos HART pueden reemplazar una instalación de transmisor analógico o inteligente existente sin instalar cableado nuevo, una gran ventaja ya que muchas instalaciones de transmisores existentes pueden actualizarse simplemente agregando transmisores compatibles con HART reemplazar los transmisores existentes. Los transmisores inteligentes también pueden mejorar el rendimiento del bucle de control de procesos. Por ejemplo, la sala de control puede «modificar» de forma remota la salida del transductor. Los transmisores a menudo pueden medir dos variables de proceso (variables de proceso primarias y secundarias) en lugar del único PV que se puede transmitir a través de una interfaz simple de 4 a 20 mA. Los transmisores inteligentes pueden enviar información sobre dos PV, junto con otra información relevante. Las configuraciones HART también pueden incluir solo comunicación digital; un flujo analógico solo sirve como vehículo para la información digital.

El protocolo tiene muchas capas estrechamente relacionadas con el modelo OSI de siete capas. AD422 es una solución de capa física; los demás están implementados en software.

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