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MSP430I20xx在工业传感器现场发送器中的应用 发布时间:2020-02-26 阅读人数:

许多工业自动化和过程控制解决方案需要精确地感知多个过程或控制变量。这些变量包括温度、负载、力、光强度、运动、位置和电压。Ti最新的嵌入式微控制器msp430i20xx系列,可以为多达四个集成24位sigma delta ADC;ADC提供每个通道的低功耗转换。在24位ADC之前,可以通过差分输入可编程增益放大器PGA直接检测传感器的输出。

PGA可为高阻抗缓冲器提供单位增益或软件定义的增益,最高可达16。在线供电解决方案(通常用于工业应用),多通道ADC解决方案在不超过通信环路定义的系统电流阈值的情况下提供对多个传感器的同步监测。此外,这种解决方案还可以延长多通道电池供电传感器应用的电池寿命。本文将回顾配置为2线发射机的线路供电解决方案,其中通信环路用作3线和4线发射机为系统供电,并且提供给系统的电源独立于通信环路。Msp430i20xx系列单片机在工作温度不高于105℃时可以支持这些配置。

工业变送器设计

大多数工业自动化和传感器解决方案仍然依赖于线路电源解决方案
 易于使用、可靠的远程数据传输、低噪声敏感性和低成本,使该解决方案成为一个强大的工业解决方案。这些解决方案不仅可以为系统提供电源,还可以提供传感器与网关之间的通信路径。在这种情况下,系统包括电压控制电流源,以响应传感器信号输出来调整回路电流。调制电流范围通常为4毫安至20毫安,其中4毫安表示传感器输出范围的最小值,20毫安表示传感器输出范围的最大值。两个端点之间的线性区域表示传感器输出的中间值。

图1显示了压控电流源的典型配置。通过回路的电流受R6和R7定义的并联电路和通过R5的参考电流的限制。由于通信回路基于电流值,因此信号的精度不受互连导线中电压降的影响。因此,发射机和接收机之间的距离可以高达几千米[1]。在这种情况下,变送器将不提供电流源。电流由连接到其输出端的外部电压源提供。这成为一个额外的优势,因为通信回路可以为发射机本身供电。由于最小允许测量值被定义为4mA阈值,变送器解决方案的整体系统电流需要低于该临界点,通常低于3.5ma。因此,裕度可用于低警告读数。

电压控制电流源原理图

图1:电压控制电流源原理图

电流环发射器包括传感器、传感器接口、微控制器和压控电流源(或电流DAC)。典型的变送器框图如图2所示。对于msp430i20xx系列单片机,传感器信号可以直接通过24位sigma-delta模数转换器的差分输入来检测。对于压控电流源的电流驱动偏置,可以通过具有适当占空比和滤波要求的PWM&40;PWM&41;信号来实现。16位定时器模块可用于产生可调的PWM信号。理论上,它的精度可以达到16位。之后,各个占空比的输出信号可以通过低通滤波器,低通滤波器设计成只输出一个直流电压源。滤波器的设计使截止频率低于PWM频率,从而保证了单输出电压。

4-20mA发送器

如前所述,发射机由通过通信环路的2线实现供电,或由与4-20mA电流环路不直接相关的单独电源线供电(通常归类为3线或4线解决方案)。在这两种情况下,ldo-41;电压调节器都会降低电流回路的电源电压,以向发射机供电。图3提供二线制和三线制的解决方案视图。在二线制解决方案中,必须将电流阈值保持在3.5ma以下,以确保通过警告低读数的裕度可以达到最小传输测量值4mA。


许多先进的工业部门使用多通道、高性能的采集系统,以近乎实时的方式管理从精密工业传感器上传的信息。典型的例子包括不间断电源、工业功率计监视器、振动和波形分析、仪表和控制系统,以及用于测量实际参数(如温度、压力、光强度、 液体流量和力)的数据采集系统。车载PGA的差分输入直接与24位sigma-delta模数转换器相连,实现传感器信号的直接、高精度传感。此外,这些转换器基于二阶sigma-delta调制器和数字抽取滤波器。抽取滤波器是sinc3梳状滤波器,过采样率高达256。在 msp430i20xx MCU中,最多有四个独立的24位sigma delta adc。此设计可允许多达四个传感器接口同时对多个工业自动化或工艺参数进行采样。在转换过程中,每个通道平均只消耗200μa。 

 

相比之下,其他解决方案通常为每个通道0.5mA到1.0mA。即使在二线制电流环结构阈值的严格要求下,msp430i20xx单片机也能为同步传感器采样提供如此低的每路电流。表1比较了msp430i20xx系列单片机中四通道24位Sd24模块的交直流转换分辨率。如表所示,在大多数PGA增益设置中,msp430i20xx Sd24的直流性能超过16个有效位。在4至20毫安电流回路溶液中,该指示器的精度足以达到0.5μA以上。图4提供了额外的测试数据。

表1 MSP430I20XX 交流和直流分辨率对比

MSP430i20xx SD24 直流性能分析

图4

图4和表1所示的直流分析数据是通过标准方法获得的,特别是通过缩短Sd24的差分输入来找到大量数据的标准差。更具体地说,您可以编写代码示例,将256个24位值的示例存储在ram块中,然后使用TI的代码编写器Studio Gamma IDE将其下载到文本文件中。为了计算AC数据的ENOB,采用了一个简单的公式结合SINAD。这个公式显示ENOB=&&40;SINAD–1.76db&41;6.02db。对于DC数据,采用数据标准差,ENOB可由以下公式得到:ENOB=n–log2&40;41;。在这个公式中,n表示转换器提供的位数,是数据的标准偏差。

Msp430i20xx系列单片机具有四个24位sigma-delta模数转换器,非常适合高精度工业传感器应用。每个通道ADC的低功耗性能使多个高精度传感器输出能够同步采样,而不会超过多个2线制工业电流环路解决方案定义的电流阈值水平。该系列也是许多电池供电的多传感器应用的理想选择。

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