Объединение датчиков в сеть
Лекция 8.9
8.1.Аналого-цифровые преобразователи с датчиком температуры на одном кристалле
8.2. Сети датчиков, интеллектуальные датчики
8.3. Токовая петля
8.4. Объединение датчиков в сеть
8.5. MicroConverter
Аналого-цифровые преобразователи с датчиком температуры на одном кристалле
Цифровые датчики температуры помимо встроенного температурного датчика и АЦП имеют, как правило, контроллер последовательного обмена данными (SPI™ и QSPI™ и MICROWIRE™ фирмы NationalSemiconductor), например, датчики серии AD7816/7817/7818. Функциональные блок-схемы AD7816, AD7817, AD7818 показаны на рис. 2.38, рис. 2.39, рис. 2.40.
Рис. 2.38. 10-разрядный цифровой датчик температуры с последовательным интерфейсом (AD7816)
Рис. 2.39. 10-разрядный АЦП
с мультиплексированными входами и датчиком температуры (AD7817)
Рис. 2.40. 10-разрядный АЦП
с одним входом и датчиком температуры (AD7818)
10-разрядный АЦП с временем преобразования 10 мкс; гибкий последовательный интерфейс (Intel 8051, SPI™, QSPI™, MICROWIRE™);
наличие на кристалле датчика температуры от –55 °С до +125 °С; точность измерения температуры +2 °С (от –40 °С до +85 °С); наличие встроенного опорного источника 2.5 В ± 1 %; диапазон напряжения питания от (+2.7 В до +5.5 В); рассеиваемая мощность 4 мВт на частоте выборок 10 Гц; режим автопонижения питания после завершения преобразования; выход «прерывания» по перегреву; аналоговые входы, четыре для AD7817, один для AD7818;
AD7416/AD7417/AD7418 подобны перечисленным, но имеют 12С интерфейс [16].
Сети датчиков, интеллектуальные датчики
Технологии объединения микропроцессорных систем с датчиками в вычислительную сеть открывают более широкие возможности для систем сбора и анализа данных. Такие системы управления используют в качестве линий передачи данных различные промышленные стандарты: токовую петлю 4–20 мА, интерфейсы и протоколы 1-Ware, CAN, I2C, Ehternet, Lonwork и др.
Различные датчики и исполнительные устройства имеют встроенные на кристалл или конструктив контроллеры этих интерфейсов. Их создают специально под данный режим управления.
Токовая петля
На рис. 2.41 показано, как дистанционный исполнительный механизм управляется с помощью токовой петли со стороны помещения центрального пульта управления. Отметим, что выход передатчика на исполнительный механизм управляется ЦАП, в данном случае AD420. Весь процесс находится под управлением центрального компьютера, который подключается к микроконтроллеру и AD420. На этой схеме показан только один исполнительный механизм, однако реальная система индустриального управления содержит обычно значительное число исполнительных механизмов и датчиков. Отметим, что выход нуля шкалы ЦАП составляет 4 мА (а не нуль), а его верхний предел (полная шкала) – 20 мА. Выбор ненулевого выходного тока для нулевой точки позволяет передатчику определять факт разрыва цепи и одновременно позволяет питать дистанционный преобразователь через ту же самую петлю, если ток последнего менее 4 мА [15].
Рис. 2.41. Использование токовой петли 4–20 мА для управления дистанционным исполнительным механизмом
Многие из цепей в помещении пульта управления питаются непосредственно от источника питания петли, напряжение которого лежит в пределах от 12 до 36 В. Однако часто это напряжение необходимо стабилизировать для питания таких устройств, как усилители, АЦП и микроконтроллеры. Ток петли измеряется с помощью резистора RSENSE, который фактически входит в состав ИС AD420. Внутренний ЦАП AD420 представляет собой 16-разрядный сигма-дельта ЦАП. Наличие последовательного цифрового интерфейса позволяет легко сопрягать его с микроконтроллером.
На рис. 2.42 показан интеллектуальный датчик с выходом 4–20мА с питанием от петли. Для того чтобы данная схема работала, полный суммарный ток всех элементов ее схемы должен быть не более 4 мА. Ядром этой схемы является ИС AD421, 16-разрядный ЦАП, питающийся от токовой петли. Ток внутреннего ЦАП 4–20мА, а также оставшаяся часть тока возврата, требующаяся для питания AD421 и других элементов схемы, протекает через измерительный резистор RSENSE. Измерительная цепь компенсирует эту оставшуюся часть тока возврата и гарантирует, что полный ток возврата будет равен току ЦАП, который соответствует коду, установленному на нем микроконтроллером. Выход датчика квантуется сигма-дельта АЦП AD7714/AD7715. Отметим, что полный ток, потребляемый цепью, менее требуемого максимума 4 мА. Устройство AD421 содержит цепь стабилизатора питания, который управляет затвором внешнего ДМОП – полевого транзистора и устанавливает напряжение питания из ряда 3, 3.3 или 5 В. Таким образом, максимальное напряжение в петле ограничивается только напряжением пробоя ДМОП транзистора [15].
Рис. 2.42. Интеллектуальный датчик, питаемый от токовой петли 4–20 мА
Рис. 2.43. Дистанционный интеллектуальный передатчик
с протоколом HART, использующий AD421 ЦАП с токовой петлей 4–20 мА
Протокол HART использует метод частотной модуляции в соответствии с коммуникационным стандартом (Веll202), который является одним из нескольких стандартов, используемых при создании систем передачи цифровых сигналов по телефонным линиям. Этот метод используется для наложения сигналов цифровой связи на токовую петлю 4–20 мА, соединяющую помещение пульта управления с дистанционным передатчиком. Для представления двоичной 1 и 0 в протоколе используются две различные частоты 1200 и 2200 Гц соответственно. Эти гармонические сигналы низкого уровня со средней величиной, равной нулю, накладываются на сигнал постоянного тока. Данная схема позволяет одновременно использовать аналоговую и цифровую подсистемы связи.
При этом никаких компонент постоянного тока не добавляется к существующему току петли 4–20 мА, не считая цифровых данных, которые передаются по данной линии. Фаза сигнала частотной модуляции непрерывна. Таким образом, в петле 4–20 мА не будет наведенных высокочастотных компонент (обязанных процессу модуляции). Следовательно, имеющиеся аналоговые схемы будут продолжать нормально работать в системе, которая использует протокол HART, поскольку низкочастотная фильтрация (и без того обычно существующая) эффективно режектирует (исключает) цифровой сигнал. Низкочастотный однополюсный фильтр с частотой среза 10 Гц уменьшает величину наводок от связного сигнала до ±0.01 % от верхнего предела шкалы. Протокол HART предписывает, чтобы ведущие устройства (главная система управления) передавали в линию сигнал напряжения в то время, как ведомое (или локальное, периферийное, цеховое) устройство должно возвращать токовый сигнал. Токовый сигнал преобразуется в соответствующее напряжение резистором нагрузки петли в помещении пульта управления. На рис. 2.43 показана блок-схема интеллектуального информационно-измерительного передатчика. Информационно-измерительный передатчик – это такой передатчик, в котором функции его микропроцессора делятся между выполнением первичных измерений с генерацией измерительного сигнала и управлением подсистемой связи, которая позволяет устанавливать двустороннюю связь по тем же самым линиям, по которым передается измерительная информация. Интеллектуальный передатчик, содержащий протокол HART, является примером такого интеллектуального информационно-измерительного передатчика [16].
Данные, передаваемые в соответствии с HART-протоколом в токовую петлю, показанную на рис. 2.43, принимаются передатчиком с использованием полосового фильтра и модема и далее поступают в асинхронный последовательный порт микроконтроллера или в порт модема. В обратном направлении тоновые сигналы с HART-модема формируются и через разделительный конденсатор Сс подаются на выход AD421. Блок, содержащий модем BELL202, формирователь сигнала и полосовой фильтр, выпускается в виде законченной конструкции фирмой SymbiosLogic, фирмой Inc – модель 20С15 и фирмой SMAR ResearchCorporation – модель НТ2012.
Объединение датчиков в сеть
Рассмотрим сетевое объединение датчиков. Разумеется, что в данном случае следует рассматривать не дискретные датчики, а системы на кристалле (SOC), т. е. интеллектуальные датчики (рис. 2.44).
Рис. 2.44. Индустриальная цепь
Такие индустриальные сети могут принимать различные конфигурации. Цеховая сеть на рис. 2.44 представляет собой широкополосную распределенную сеть, напримерEthernet или Lonwork. Эта цеховая сеть в обычном виде не предназначена для прямого подключения интеллектуальных датчиков. Большинство приборных сетей (таких как ASI-bus, CAN-bus и HART), кроме того, подают питание на интеллектуальные датчики по той же самой линии, по которой передаются последовательные данные.
Некоторые из стандартов индустриальных сетей, наиболее популярных в настоящее время, перечислены ниже. Каждый из них обладает собственными преимуществами и недостатками и каждый имеет свою собственную аппаратуру и последовательный протокол обмена. Это означает, что интеллектуальный датчик, предназначенный для работы в одной индустриальной сети, не обязательно будет работать в другой.
Ethernet CAN-Bus
Foundation Fieldbus Device-Net
Lonwork World FIP
Profibus P-NET
Interbus-S HART
Universal Serial Bus (USB) ASI
Так как предприятия и многие другие объекты с сетями часто имеют набор разных сетей и подсетей, для них наиболее правильным (гибким) решением будет использование датчиков в режиме автоконфигурации («установи и работай»), совместимых с различными цеховыми и приборными сетями. Заслуга интерфейсного стандарта IEEE 1451.2 состоит в том, что он сделал реальностью существование датчиков, независимых от сети.
На рис. 2.45 показаны основные компоненты системы, совместимой с IEEE 1451.2. Интеллектуальный датчик (или интеллектуальное исполнительное устройство) здесь называется как STIM (SmartTransducerInterfaceModule) (интерфейсный модуль интеллектуального преобразователя – ИМИП). Он содержит один или более датчиков и/или исполнительных устройств с устройствами нормирования сигналов, АЦП или ЦАП для согласования датчиков/исполнительных устройств с резидентным микроконтроллером. Микроконтроллер имеет доступ к неразрушаемой памяти, которая содержит в себе поле TEDS (TransducerElectronicDataSheet) (электронное описание преобразователя – ЭОП), которое содержит описания датчика/исполнительного устройства и которое можно прочитать через сеть. NCAP (NetworkCapableApplicationProcessor) (сетевой прикладной процессор – СПП) представляет собой узел сети, в который будет подключаться STIM.
Рис. 2.45. Стандарт подключения датчика IEEE1451.2
Рис. 2.46. Режим автоконфигурации, plug&play
Основой IEEE1451.2 является стандартный 10-проводной последовательный интерфейс между датчиком и узлом сети, называемый ТП (TransducerIndependentInterface) (интерфейс независимый от преобразователя –
ИНП). На объектах с разветвленными сетями интерфейс (ТП) позволяет устанавливать любой модуль STIM на любой узел NCAP любой сети, как показано на рис. 2.46. Когда модуль STIM первый раз подключается к новому узлу NCAP, цифровая информация модуля, включая его таблицы TEDS, становится доступной для данной сети. Сеть идентифицирует, какой тип датчика или исполнительного устройства был только что подключен, какие из его данных доступны и каковы размерности входных и выходных данных (кубические метры в секунду, градусы Кельвина, килопаскали и т. д.), какова специфицированная точность устройства (например, ±2 °С), и прочую информацию, касающуюся датчика или исполнительного устройства. Такой прием исключает необходимость выполнения программных шагов по конфигурированию сети, которые требуются при замене или добавлении датчика в систему, реализуя тем самым работу в режиме «устанавливай и работай» вне зависимости от сети.
Большинство интеллектуальных датчиков (не ограниченных модулями под 1451.2) содержат следующие основные компоненты:
микроконтроллер, АЦП высокого разрешения, прецизионный усилитель, датчики.
8.5. MicroConverter™
Семейство изделий MicroConverter™ от фирмы AnalogDevices – первые устройства, которые содержат все указанные компоненты на одном кристалле (табл. 2.7).
Таблица 2.7
МикроконвертерыAnalogDevices
| ADuC816
| ADuC812
| AduC810
|
| Сдвоенный ZA АЦП
РПП
> 1 6 разрядов
С/Ш (р-р) > 100 дБ
Дифферент. входы
Усилитель с ПУ
Самокалибровка
| 8-канальный АЦП с РПП
12 разрядов, 5 мкс
< 1/2 МЗР INL
Наличие режима ПДП
Самокалибровка
| 8-канальный АЦП с
10 разрядов < 1/2 МЗР INL
|
| 12-разрядный ЦАП Вольтовый выход
< 1/2 МЗР DNL
| Два 12-разрядных ЦАП Вольтовый выход
< 1/2 МЗР DNL
| 12-разрядный ЦАП Вольтовый выход
< 1/2 МЗР DNL
|
| Наличие встроенного ИОН
| Наличие встроенного ИОН
| Наличие встроенного ИОН
|
| Наличие встроенного датчика температуры
| Наличие встроенного датчика температуры
| Наличие встроенного датчика температуры
|
Три основные составляющие каждого устройства из серии MicroConverter™: высокое разрешение при аналого-цифровом и цифроаналоговом преобразовании, наличие неразрушаемой постоянной памяти (FLASH EEPROM) программ и данных и наличие микроконтроллера. Все три устройства содержат 12-разрядный ЦАП с выходом в виде напряжения, прецизионный источник опорного напряжения по запрещенной зоне и встроенный датчик температуры.
Контрольные вопросы к главе 2
1. Дайте определение понятию «датчик», перечислите основные типы датчиков.
2. Приведите примеры резистивных датчиков и систем нормализации сигнала с помощью моста Уитстона.
3. Рассмотрите известные датчики для измерения величины силы (давления).
4. Перечислите основные типы датчиков для измерения температуры.
5. Раскройте сущность метода компенсации холодного спая.
6. Проведите сравнительный анализ резистивных, полупроводниковых датчиков температуры и термисторов.
7. Приведите примеры использования датчика температуры с цифровым выходом.
8. Рассмотрите промышленные стандарты сетей датчиков.