探索Novato（MAXREFDES16#）：4 - 20mA 環(huán)路供電溫度傳感器與HART通信

在工業(yè)過(guò)程控制和自動(dòng)化領(lǐng)域，溫度測(cè)量是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。Maxim Integrated的Novato（MAXREFDES16#）參考設(shè)計(jì)為我們帶來(lái)了一個(gè)高性能的解決方案，它是一款16位、高精度、環(huán)路供電的溫度傳感器，能夠通過(guò)4 - 20mA電流環(huán)路和HART通信協(xié)議將遠(yuǎn)程物體的溫度信息傳輸?shù)街醒肟刂茊卧?/p>

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一、設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

Novato參考設(shè)計(jì)具有眾多令人矚目的特性，使其在溫度測(cè)量領(lǐng)域脫穎而出：

1. 廣泛的傳感器兼容性：支持2 - 4線RTD傳感器輸入，適用于從PT100到PT1000的各種RTD類型。
2. 寬溫度測(cè)量范圍：能夠測(cè)量 -200°C到 +850°C的溫度，滿足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的需求。
3. 高精度測(cè)量：在整個(gè)工作范圍內(nèi)，精度優(yōu)于0.1%或1.0°C，溫度分辨率達(dá)到0.03°C。
4. 穩(wěn)定的供電和輸出：供電電壓范圍為12V到40V，輸出為4 - 20mA電流環(huán)路，環(huán)路負(fù)載為10?到1k?。
5. HART通信協(xié)議支持：支持HART通信協(xié)議，滿足工業(yè)自動(dòng)化中的遠(yuǎn)程通信需求。
6. 傳感器故障檢測(cè)：具備傳感器燒毀檢測(cè)功能，提高系統(tǒng)的可靠性。
7. NAMUR標(biāo)準(zhǔn)兼容：符合NAMUR標(biāo)準(zhǔn)，下刻度小于3.2mA，上刻度可在20.5mA到 > 24mA之間編程。
8. 電流限制保護(hù)：環(huán)路電流限制器為30mA ±5mA，保護(hù)系統(tǒng)安全。

二、信號(hào)鏈結(jié)構(gòu)

Novato智能傳感器發(fā)射器的信號(hào)鏈包含多個(gè)關(guān)鍵組件：

1. MAX11213 ADC：16位delta - sigma ADC，具有可編程增益和GPIO功能，用于將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
2. RL78/G13微控制器：Renesas的微控制器，帶有128kB閃存，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和控制。
3. 4 - 20mA電流環(huán)路發(fā)射器：由MAX5216和MAX9620構(gòu)建，將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4 - 20mA電流信號(hào)。
4. DS8500調(diào)制解調(diào)器：提供基于HART協(xié)議的數(shù)字接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。
5. 電源和參考電壓模塊：MAX15006和MAX6133為整個(gè)電路提供電源和參考電壓。

三、測(cè)量原理

1. 傳感器電阻測(cè)量

通過(guò)ADC的傳遞函數(shù)進(jìn)行傳感器電阻的比例測(cè)量： [ADCcode =left(left(V{AINP }-V{AINN }right)right) /left(V{REF} /right. gain left.) timesleft(2^{16}-1right)right.] 其中 ((V{AINP }-V{AINN })=I{R T D} ×R{R T D}) 是RTD上的電壓降，(V{REF }=I{RTD } ×R{REF }) 是參考電阻 (R{REF}) 上的電壓降。該公式可進(jìn)一步改寫為： [ADCcode =R{R T D} /left(R_{R E F} /right. gain ) timesleft(2^{16}-1right)]

2. 溫度計(jì)算

將ADC代碼根據(jù)Callendar - Van Dusen方程轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)： [R(T)=R_{0}left(1+A × T+B × T^{2}-100 × C × T^{3}+C × T^{4}right)] 對(duì)于PT100，相關(guān)常數(shù)如下：

• (A =3.90830 × 10^{-3})
• (B=-5.77500 × 10^{-7})
• (C=4.18301 × 10^{-12})（-200°C ≤ T ≤ 0°C）
• (C=0)（0°C ≤ T ≤ 850°C）

在忽略負(fù)溫度下的系數(shù) (C) 時(shí)，可通過(guò)求解二次方程計(jì)算溫度： [Tleft(^{circ} Cright)=left(-A+sqrt{A^{2}-4 Bleft(1-R{R T D} / R{0}right)}right) / 2 B] 其中 (R{R T D}=left(A D C c o d e × R{R E F}right) /left(left(2^{16}-1right) × gain right))

3. 電流轉(zhuǎn)換

將溫度轉(zhuǎn)換為4 - 20mA環(huán)路電流： [D A C c o d e=4 mAcode +(20 mAcode -4 mAcode ) /(Tmax - Tmin ) times(T-Tmin)]

四、傳感器校準(zhǔn)

校準(zhǔn)傳感器是確保測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟，使用Novato校準(zhǔn)軟件和USB - to - UART編程適配器可以輕松完成校準(zhǔn)：

1. 連接設(shè)備：將編程適配器通過(guò)USB端口連接到PC，通過(guò)2線UART接口連接到Novato板的J4頭。
2. 啟動(dòng)軟件：?jiǎn)?dòng)Novato校準(zhǔn)軟件，等待PC識(shí)別USB設(shè)備。
3. 校準(zhǔn)步驟：
   • 禁用主環(huán)路：選擇校準(zhǔn)模式復(fù)選框，允許與傳感器通信。
   • 選擇RTD：在校準(zhǔn)選項(xiàng)卡中，點(diǎn)擊“RTD設(shè)置”按鈕，選擇合適的RTD參數(shù)，如 (R_{0}) 電阻、增益、最大和最小溫度。
   • 系統(tǒng)偏移校準(zhǔn)：短路傳感器輸入連接器的J1.1、J1.2、J1.3和J1.4，選擇系統(tǒng)偏移單選按鈕并點(diǎn)擊校準(zhǔn)按鈕。
   • 系統(tǒng)增益校準(zhǔn)：短路J1.1、J1.2和J1.4，將J1.3連接到VGND測(cè)試點(diǎn)，選擇系統(tǒng)增益單選按鈕并點(diǎn)擊校準(zhǔn)按鈕。
   • 20mA環(huán)路電流校準(zhǔn)：選擇20mA單選按鈕，在DAC值編輯框中輸入值并點(diǎn)擊校準(zhǔn)按鈕，通過(guò)外部數(shù)字萬(wàn)用表調(diào)整DAC代碼，直到環(huán)路電流為20mA。
   • 4mA環(huán)路電流校準(zhǔn)：選擇4mA單選按鈕，重復(fù)上述步驟，直到環(huán)路電流為4mA。
   • 調(diào)整ADC增益和偏移：使用Fluke 724過(guò)程校準(zhǔn)器模擬RTD，手動(dòng)調(diào)整Self Gain和Self Offset寄存器，使ADC數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)期值。
   • 保存校準(zhǔn)值：點(diǎn)擊“保存到閃存”按鈕，將校準(zhǔn)值存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器中。
   • 禁用校準(zhǔn)模式：取消選擇校準(zhǔn)模式復(fù)選框，恢復(fù)正常操作。

五、HART通信協(xié)議

Novato參考設(shè)計(jì)完全滿足HART物理層要求，其HART功能集由AB Tech Solution開發(fā)。HART堆棧支持所有通用和常見(jiàn)實(shí)踐命令，但不由Maxim Integrated提供。如需了解許可、集成和特定設(shè)備功能的進(jìn)一步開發(fā)，請(qǐng)聯(lián)系A(chǔ)B Tech Solution。

六、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量

使用Fluke 724過(guò)程校準(zhǔn)器對(duì)PT100 RTD進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)Agilent 34401A數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量4 - 20mA環(huán)路電流。測(cè)量結(jié)果顯示了誤差隨溫度的變化情況，有助于評(píng)估設(shè)計(jì)的性能。

七、購(gòu)買信息

可以直接購(gòu)買Novato（MAXREFDES16#）參考設(shè)計(jì)，也可以通過(guò)當(dāng)?shù)氐腗axim代表訂購(gòu)。同時(shí)，還提供相關(guān)部件的免費(fèi)樣品，方便工程師進(jìn)行測(cè)試和開發(fā)。

總的來(lái)說(shuō)，Novato（MAXREFDES16#）參考設(shè)計(jì)為工業(yè)溫度測(cè)量提供了一個(gè)全面、可靠的解決方案。它的高精度、廣泛的兼容性和易于校準(zhǔn)的特點(diǎn)，使其成為工業(yè)過(guò)程控制和自動(dòng)化領(lǐng)域的理想選擇。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似的溫度測(cè)量問(wèn)題？你對(duì)這種設(shè)計(jì)有什么獨(dú)特的見(jiàn)解嗎？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。