ИНТЕРФЕЙС ДАТЧИКОВ

Для поддержания параметров технологических процессов современного производства в пределах допусков в первую очередь необходима достоверная информация об этих параметрах, поступающая от разнообразных датчиков. Один из широко распространенных интерфейсов для передачи сигналов аналоговых датчиков — интерфейс "токовая петля". Настоящая статья посвящена описанию этого интерфейса, его функциональных особенностей и организации сетей сбора информации датчиков.
Внастоящее время во многих промышленных приборах и оборудовании для передачи сигналов разнообразных датчиков используется интерфейс токовой петли, в котором сигнал датчика передается в виде тока в диапазоне значений от 4 до 20 мА. В [1, 2] такой интерфейс называется "токовая петля 4-20 мА" (далее по тексту "токовая петля").
ИНТЕРФЕЙС "ТОКОВАЯ ПЕТЛЯ"
Для передачи сигналов датчика в интерфейсе токовой петли используется линия передачи сигнала на основе витой пары. Интерфейс характеризуется следующими преимуществами:
  • простотой реализации
  • небольшим количеством проводов
  • нечувствительностью к шумам
  • нечувствительностью к изменению сопротивления проводов линии передачи сигнала
  • возможностью одновременно с сигналом датчика передавать по тем же проводам напряжение питания передатчика.

Передатчик, являющийся главным звеном интерфейса, предназначен для преобразования сигнала датчика в ток линии. В контроллере системы выполняется измерение величины тока линии и определение соответствующего численного значения физической величины (температуры, давления, скорости, ускорения и т.п.). За нулевую точку шкалы принято значение тока в линии 4 мА, максимальному значению шкалы соответствует ток 20 мА. Выбор ненулевого значения тока в качестве нулевой точки шкалы позволяет: во-первых, реализовать дистанционное питание передатчика и датчика по линии передачи сигнала, а во-вторых, легко обнаруживать повреждения в цепи подключения передатчика (обрыв или короткое замыкание линии). Как следует из значения нулевой точки шкалы, общий ток потребления компонентов передатчика и датчика не должен превышать 4 мА. Таким образом, в интерфейсе токовой петли сигнал передается величиной тока, которая является суммой тока потребления компонентов передатчика (постоянная составляющая) и тока, значение которого определяется преобразуемой величиной (переменная составляющая). Другими словами, в передатчике осуществляется управление током потребления (переменная составляющая тока в линии) в соответствии с изменением преобразуемой величины. Напряжение питания токовой петли находится в пределах от 12 до 36 В. В большинстве случаев приходится регулировать напряжение питания компонентов передатчика, для которых необходимо стандартное напряжение (обычно 3, 3.3 или 5В).
Простой двухпроводный интерфейс токовой петли между передатчиком и контроллером системы предполагает существование по крайней мере трех типов передатчиков, которые рассматриваются ниже.
Аналоговый передатчик обеспечивает преобразование выходного сигнала датчика в величину тока линии (в диапазоне значений тока от 4 до 20 мА), который анализируется в контроллере системы.
Интеллектуальный передатчик первого типа состоит из микропроцессора; памяти; АЦП, к которому подключен датчик; ЦАП, управляющего величиной тока линии в соответствии с изменением преобразуемой величины (рис. 2, а). В интеллектуальном передатчике первого типа появляется возможность корректировать нелинейную передаточную характеристику, присущую большинству датчиков; периодически выполнять калибровку; корректировать ошибки, которые возникают из-за изменений температуры окружающей среды и временного дрейфа; компенсировать начальное смещение и выполнять другую предварительную обработку сигнала, что является преимуществом этого типа передатчика. Это особенно актуально при большом количестве датчиков, так как освобождает контроллер системы от выполнения перечисленных преобразований. Интеллектуальный передатчик первого типа управляет током линии в соответствии с изменением преобразуемой величины и не может осуществлять двунаправленную связь с контроллером системы.
Интеллектуальный передатчик второго типа не только управляет током линии, но и реализует двунаправленный цифровой канал связи с контроллером системы по той же линии передачи сигнала. Канал связи дает возможность передавать не только данные, но и команды управления, что позволяет изменять значения калибровочных коэффициентов, идентифицировать устройство (датчик) и дистанционно диагностировать неисправность. Последнее особенно важно при расположении датчиков в труднодоступных и небезопасных местах.
HART-протокол (Highway Addressable Remote Transducer) — стандарт для передачи цифровых данных между передатчиком и контроллером системы через интерфейс токовой петли. HART-протокол первоначально был предложен фирмой Rosemount Inc. и в настоящее время широко используется в промышленном оборудовании и поддерживается комитетом HART Foundation. Протокол базируется на адаптированном стандарте Bell 202, используемом для передачи цифровых данных через телефонные линии. В HART-протоколе для передачи цифровых данных применяется метод частотной манипуляции (FSK — Frequency-Shift-Keying) без разрыва фазы, что необходимо для минимизации уровня высокочастотных составляющих сигнала в линии. Для кодирования "0" используется частота 2.2 кГц, для кодирования "1" — 1.2 кГц. Скорость передачи данных посредством HART-протокола через интерфейс токовой петли составляет 1200 бит/с. Использование HART-протокола позволяет по существующей линии (витая пара) без применения дополнительных кабелей передавать одновременно аналоговый и цифровой сигнал, что дает возможность сравнительно просто модернизировать уже существующее оборудование. Выделение аналогового низкочастотного сигнала осуществляется ФНЧ. Для эффективного подавления частот манипуляции на стороне приема достаточно установить ФНЧ первого порядка с частотой среза 10 Гц, который обеспечивает точность передачи аналогового сигнала через цепь токовой петли ±0.01 % максимального значения шкалы. HART-протокол предусматривает существование ведущего и подчиненного устройства, причем ведущее передает сигнал в виде напряжения, а подчиненное — в виде тока. Подчиненное устройство отвечает на запросы ведущего только после адресации к нему.
К компонентам, из которых строится передатчик, предъявляются жесткие требования:
  • ток потребления передатчика не должен превышать 4 мА
  • одно напряжение питания 3/3.3/5 В
  • АЦП и ЦАП должны обеспечивать высокую точность преобразования
  • АЦП должен иметь дифференциальный вход и возможность калибровки
  • внешние интерфейсы компонентов должны быть совместимы между собой
  • малые габариты
  • низкая стоимость.
АЦП AD7713, AD7714, AD7715 [3, 4], выпускаемые фирмой Analog Devices, удовлетворяют перечисленным требованиям.
СЕТИ СБОРА ИНФОРМАЦИИ ДАТЧИКОВ
HART-протокол — это только один из большого количества промышленных стандартов для передачи цифровых данных. Наиболее популяр ны сетевые стандарты Ethernet, Foundation Fied-bus, Lonwork, Profibus, Interbus-S, Universal Serial Bus (USB), CAN-bus, Device-Net, WorldFIP, P-NET, HART, ASI. В некоторых стандартах предполагается интерфейс (непосредственный или косвенный) с интеллектуальными датчиками. К таким стандартам относятся CAN-bus, ASI-bus, HART и другие, в которых предусмотрено также дистанционное питание интеллектуальных датчиков по тем же линиям, по которым передаются данные в последовательном формате. Каждый из перечисленных стандартов имеет свои достоинства и недостатки, а также специфические аппаратные решения, которые приводят к несовместимости интеллектуальных датчиков при подключении к сетям с различными протоколами.
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ДАТЧИК
Всем преобразователям физических величин (фотодиоды, термопары, терморезисторы, пьезоэлементы и др.), каковыми являются датчики, присущи следующие недостатки: абсолютное значение выходного сигнала датчика и полная шкала изменений выходного сигнала имеют небольшую величину, кроме этого, передаточная характеристика датчиков имеет нелинейность. Поэтому в тех случаях, когда требуется обепечить высокую точность измерений, необходимо произвести усиление сигнала датчика, линеаризацию передаточной характеристики, компенсацию начального смещения и погрешностей, возникающих из-за изменения температуры окружающей среды и временного дрейфа. В отдельных случаях необходимо обеспечить датчик стабильным током. Эффективно выполнять подобные преобразования можно только с применением средств цифровой обработки данных. Большинство интеллектуальных датчиков, не предназначенных для подключения к интерфейсу токовой петли или любому другому интерфейсу, в том числе и сетевому, содержат следующие основные компоненты: прецизионный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, высокоточный АЦП и микропроцессор. Для того, чтобы подключить интеллектуальный датчик к сети сбора информации в его состав должен входить ЦАП или HART-модем для подключения к интерфейсу токовой петли или сети с HART-протоколом, либо в интеллектуальном датчике необходимо реализовать интерфейс TII в соответствии со стандартом IEEE1451.2. Для того, чтобы обеспечить малое потребление, низкую стоимость, высокую надежность и физическую реализуемость интеллектуального датчика, все вышеперечисленные компоненты должны быть интегрированы в одном кристалле. В заключение необходимо отметить, что фирма Analog Devices разработала и в 1999 году начала серийный выпуск первого представителя семейства новых приборов, получивших название микроконвертеры, в кристалле которых интегрированы высокоточные АЦП и ЦАП, микропроцессор, энергонезависимая флэш-память, датчик температуры и периферийные контроллеры, обеспечивающие внешний интерфейс микроконвертера.