Решения для многосенсорных полевых измерительных преобразователей

Новое семейство встраиваемых микроконтроллеров (MCU) корпорации Texas Instruments — микроконтроллеры серии MSP430i20xx — содержит до четырех встроенных 24‑разрядных SD-АЦП с низким потреблением энергии на канал. Выходной сигнал сенсора может восприниматься напрямую усилителем с программируемым коэффициентом усиления (УПКУ) с дифференциальными входами прежде, чем поступит на 24‑разрядный АЦП. УПКУ образует буфер с высоким входным импедансом и единичным или программно задаваемым коэффициентом усиления (КУ), значение которого может достигать 16. В решениях с питанием от сети, широко распространенных в промышленных системах, многоканальный АЦП обеспечивает одновременный контроль нескольких сенсоров без превышения пороговых значений тока, потребляемого системой, который определяется схемой включения датчика. Это также позволяет увеличить срок службы аккумулятора в многоканальных системах измерения параметров, питающихся от аккумуляторов.

Конструкция промышленного измерительного преобразователя

Подавляющее большинство решений для сенсоров в промышленной автоматизации по-прежнему представляют собой системы с питанием от сети [1]. Простота использования, надежность передачи данных на большие расстояния, высокая помехоустойчивость и низкая стоимость делают такое решение идеальным для создания надежных промышленных систем. Подобные решения обеспечивают и питание системы, и тракт передачи информации между сенсором и шлюзом. В этом случае система состоит из управляемого напряжением источника тока, который модулирует ток в контуре в соответствии с выходными сигналами сенсоров. Модулированный ток обычно находится в диапазоне 4–20 мА (минимальное значение диапазона выходного сигнала сенсора соответствует 4 мА, а максимальное — 20 мА). Линейный участок между конечными точками соответствует промежуточным величинам выходного сигнала сенсора.

На рис. 1 показана типичная схема управляемого напряжением источника тока. Ток в контуре регулируется цепью делителя тока, образованной резисторами R6 и R7, и опорным током, протекающим через R5.

Рис. 1. Схема управляемого напряжением источника тока

С учетом того что работа контура передачи информации основана на значении тока, падение напряжения в соединительной линии не влияет на точность сигнала. Таким образом, расстояние между измерительным преобразователем и принимающим устройством может составлять тысячи метров [1]. В этом случае измерительный преобразователь не является источником тока. Ток течет от внешнего источника напряжения, подключенного к его выходным клеммам. Это становится дополнительным преимуществом, подразумевающим, что контур передачи информации обеспечивает питание самого измерительного преобразователя. Учитывая, что минимальное допустимое измеряемое значение определяется порогом 4 мА, потребляемый всей системой измерительного преобразователя ток должен быть ниже указанного уровня, обычно ниже 3,5 мА. Таким образом создается запас для аварийных сигналов низкого уровня.

Измерительный преобразователь с токовой петлей состоит из сенсора, интерфейса сенсора, микроконтроллера и управляемого напряжением источника тока (или ЦАП с токовым выходом). Блок-схема типового измерительного преобразователя показана на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема измерительного преобразователя с токовой петлей

В случае семейства микроконтроллеров MSP430i20xx сигнал сенсора может поступать напрямую на дифференциальные входы 24‑разрядных SD-АЦП. Смещение формирователя тока для управляемого напряжением источника тока может осуществляться с помощью сигнала, модулированного методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при соответствующих требованиях к коэффициенту заполнения и фильтрации. Для получения регулируемого ШИМ-сигнала с теоретической точностью до 16 бит можно использовать модуль 16‑разрядного таймера [2]. Затем выходной сигнал с изменяющимся коэффициентом заполнения можно пропустить через фильтр нижних частот, проводящий только постоянную составляющую напряжения. Фильтр рассчитывается так, чтобы частота отсечки была ниже частоты ШИМ-сигнала, то есть обеспечивалась бы монотонность напряжения на выходе.

Решения на основе токовой петли

Как отмечалось, измерительный преобразователь может питаться либо через контур передачи информации при двухпроводной конфигурации, либо с помощью отдельной линии питания, не связанной с петлей тока 4–20 мА. В этом случае система обычно классифицируется как трех- или четырехпроводное решение. В обоих случаях для питания измерительного преобразователя требуется стабилизатор с малым падением напряжения (LDO), который понижает напряжение питания токовой петли. На рис. 3 показаны оба решения: двух- и трехпроводное. В двухпроводном решении важно поддерживать ток ниже порога 3,5 мА, чтобы обеспечивать достижение минимального передаваемого измеренного значения 4 мА с запасом для аварийных сигналов низкого уровня.

Рис. 3. Блок-схемы двухпроводной и трехпроводной токовых петель

Интерфейс сенсора

В ряде передовых сегментов промышленного рынка для получения информации от точных промышленных сенсоров в реальном времени используются высокоэффективные системы сбора данных с несколькими каналами. К типичным примерам таких систем относятся источники бесперебойного питания, промышленные приборы контроля/учета электроэнергии, анализа вибрации и формы сигналов, системы управления, контрольно-измерительные приборы, а также системы сбора данных, измеряющие температуру, давление, освещенность, расход рабочей среды и усилия. Дифференциальный вход встроенного УПКУ, непосредственно связанный с 24‑разрядным SD-АЦП, позволяет напрямую и с высокой точностью воспринимать сигнал сенсора. Кроме того, преобразователи имеют в своей основе SD-модуляторы второго порядка и прореживающие цифровые фильтры. Они представляют собой гребенчатые фильтры SINC3 с коэффициентом избыточной дискретизации до 256 [2]. В микроконтроллерах MSP430i20xx может быть до четырех независимых 24‑разрядных SD-АЦП. Это позволяет реализовать до четырех интерфейсов сенсоров, дающих возможность одновременно осуществлять отсчет нескольких параметров технологического процесса в промышленной автоматизации. При преобразовании каждый из каналов потребляет в среднем всего 200 мкА [3]. Для сравнения: другие решения обычно потребляют 0,5–1 мА на канал. Такое низкое потребление тока на канал в микроконтроллерах MSP430i20xx обеспечивает одновременность отсчетов сигналов сенсоров даже при строгих требованиях к пороговым уровням тока в архитектуре двухпровод-ной токовой петли.

Примечание. *Согласно технической спецификации MSP430i20xx.

В таблице представлены результаты сравнения разрешающей способности преобразования переменного и постоянного тока для 4‑канального, 24‑разрядного модуля SD24 семейства микроконтроллеров MSP430i20xx. Как видно из таблицы, точность работы модуля SD24 микроконтроллера MSP430i20xx по постоянному току превышает 16 эффективных разрядов при большинстве значений коэффициента усиления УПКУ. Этого достаточно для получения точности лучше 0,5 мкА в токовой петле 4–20 мА. Дополнительные данные испытаний представлены на рис. 4.

Рис. 4. Анализ точностных характеристик работы модуля SD24 микроконтроллера MSP430i20xx по постоянному току

Результаты анализа работы по постоянному току, представленные на рис. 4 и в таблице, получены стандартным методом для закороченных дифференциальных входов модуля SD24 и определением стандартного отклонения большого объема данных. Конкретно был написан пример кода для записи 256 24‑разрядных отсчетов в блок ОЗУ, который затем был загружен в текстовый файл с помощью интегрированной среды разработки Code Composer Studio корпорации Texas Instruments. Для расчета ENOB (эффективной разрядности) при работе на переменном токе применяется простая формула с использованием параметра SINAD (отношение сигнал/(шум+искажения)). Согласно формуле ENOB = (SINAD–1,76 дБ)/6,02 дБ. В случае данных для постоянного тока берется стандартное отклонение, на основании которого ENOB можно рассчитать следующим образом: ENOB = N–log2(δ). В этом выражении N — количество разрядов, которое обеспечивает преобразователь, а δ — стандартное отклонение данных [4].

Заключение

Семейство микроконтроллеров MSP430i20xx, содержащих до четырех 24‑разрядных SD-АЦП, идеально подходит для высокоточных промышленных систем датчиков. Низкая потребляемая мощность на каждый канал АЦП позволяет осуществлять одновременную дискретизацию выходных сигналов от нескольких высокоточных датчиков без превышения пороговых уровней тока, установленных для многих двухпроводных промышленных решений на основе токовой петли. Это также оптимально для многих многосенсорных систем, питающихся от аккумуляторов.