（或單片機(jī)）技術(shù)的成熟，原來的老式模擬變送器逐漸退出了歷史舞臺(tái)，取而代之是以微控制器為數(shù)據(jù)處理和控制核心的智能變送器。智能變送器擴(kuò)展了模擬變送器的功能，不僅提高了測量精度和工作可靠性，還可以很容易地實(shí)現(xiàn)線性化處理、溫度補(bǔ)償、自動(dòng)零點(diǎn)和量程調(diào)整及數(shù)字通信等功能。

　　近年來，現(xiàn)場總線技術(shù)成為儀表和控制行業(yè)的研究熱點(diǎn)。與一般智能變送器相比，現(xiàn)場總線變送器具有更多的優(yōu)勢。由于工業(yè)現(xiàn)場使用4~ 20mA標(biāo)準(zhǔn)的變送器仍大量存在，考慮到與標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)的兼容性，美國Rosemount公司于1986年提出了一種過渡性現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即HART遠(yuǎn)程傳感器通路）通信協(xié)議。目前，HART協(xié)議己成為全球應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場通信協(xié)議之一。

　　HART總線智能變送器在開發(fā)低功耗的HART總線智能變送器時(shí)，儀器內(nèi)部的電源設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。首先，一般情況下具有微處理器的智能變送器比普通4~ 20mA變送器要消耗更多的功率，需要內(nèi)部電源具有更高的供電效率。其次，隨著控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的滲透和融合，變送器也逐漸向多功能方向發(fā)展。在一些大中型過程控制中，現(xiàn)場總線儀表開始廣泛應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量、控制量的遠(yuǎn)程通訊，變送器本身應(yīng)該有相應(yīng)的硬件通訊接口和軟件模塊；同時(shí)，對(duì)于應(yīng)用于FCS（現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）的智能變送器，由于FCS將DCS（分散控制系統(tǒng)）控制站的功能塊分散給現(xiàn)場設(shè)備，構(gòu)成虛擬控制站，這樣，現(xiàn)場總線變送器又加了諸如PID控制和運(yùn)算功能塊，勢必也要加功耗。另外，在許多化工行業(yè)中，現(xiàn)場環(huán)境會(huì)有易燃易爆氣體，對(duì)現(xiàn)場儀表的防爆等級(jí)有一定要求。其中，本質(zhì)安全型儀表防爆效果相對(duì)較好，應(yīng)用也很廣泛。本安型儀表通常都是在安全區(qū)用本質(zhì)安全電路（如安全柵）來限制電火花和熱效應(yīng)兩個(gè)可能的引爆源來實(shí)現(xiàn)防爆。這實(shí)際上也是一種低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。由此可見，在設(shè)計(jì)符合HART現(xiàn)場總線功能的智能變送器時(shí)，為滿足低功耗要求，有必要分析一下電源設(shè)計(jì)問題。

　　1HART總線智能變送器功耗分析1HART協(xié)議簡介HART協(xié)議采用了基于Bell202標(biāo)準(zhǔn)的FSK頻移鍵控信號(hào)，它在4~20mA模擬信號(hào)上疊加幅度為0.5mA的正弦調(diào)制波。并規(guī)定1 2kHz代表邏輯“1”，22kHz代表邏輯*0*.由于所疊加的正弦信號(hào)平均值為0，所以，數(shù)字通信信號(hào)不會(huì)干擾4~20mA的模擬信號(hào)。

　　HART協(xié)議了ISO/OSI（開放系統(tǒng)互連）模型，采用了它的簡化三層模型結(jié)構(gòu)，即第一層物理層，第二層數(shù)據(jù)鏈路層和第七層應(yīng)用層，并且允信號(hào)線復(fù)用，變送器本身電路功耗電流加上05mA的HART正弦調(diào)制波信號(hào)電流不得超過4mA的回路電流，即變送器本身功耗電流必須小于35mA.這里可以簡單估算一下這種變送器的最大功耗。首先，從控制室出來送往變送器的電壓按24V（―般工業(yè)現(xiàn)場多為DC電的）計(jì)算，4~20mADC信號(hào)經(jīng)過變送器后先送到配電器中經(jīng)負(fù)載電阻（一般為250Q）轉(zhuǎn)換成1~ 5V的直流電壓信號(hào)，再送往控制室。這樣，理論上變送器內(nèi)部可以消耗的最大功率不應(yīng)超過：在現(xiàn)場總線智能變送器的各個(gè)模塊中，微控制器的功耗最大。于是，許多廠家紛紛開始生產(chǎn)低功耗，甚至是超低功耗的單片機(jī)。例如，Microchip公司的PIC系列，TI公司的MSP430系列，臺(tái)灣義隆公司推出的八位EM78系列單片機(jī)，以及目前在手機(jī)、通訊行業(yè)比較流行的ARM系列單片機(jī)等。其中，具有超低功耗的MSP430系列單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)在1.8~36V電壓、1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，而耗電電流根據(jù)不同工作模式在01~400UA之間。但是，這些只是在測試條件下得到的數(shù)據(jù)，也即單片機(jī)只在CPU模式下進(jìn)行最簡單的指令運(yùn)算測出的功耗電流。如果將單片機(jī)常用的外圍模塊，例如看門狗，定時(shí)器，I/O端口，硬件乘法器，串口等考慮在內(nèi)的話，單片機(jī)的功耗將大大加。

　　除此之外，在變送器內(nèi)部還有運(yùn)算放大器，A/D、D/A，電壓/電流轉(zhuǎn)換器件，EPROM，HART通訊芯片，所有這些器件也會(huì)消耗不少的功率。

　　2低電壓電源芯片性能比較1線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器由上面的功耗分析可見，與純模擬電路式儀表相比，采用了微處理器技術(shù)和HART總線技術(shù)的智能儀表其功耗明顯多，而且內(nèi)部器件都工作在低電壓（5V或3V）模式，如何設(shè)計(jì)一種高效、穩(wěn)定的電源電路將工業(yè)現(xiàn)場提供的24V常見電源變成低電壓電源是當(dāng)前討論和研究的熱點(diǎn)問題。目前市面上主要有兩種低電壓電源芯片：線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器。

　　線性穩(wěn)壓器基本上不要外圍元件，成本低，不易受電磁干擾，紋波電壓小，但主要缺點(diǎn)是電源效許使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和多點(diǎn)連接兩種模式1.2功耗分析◎由于iHiRT總線的智能變送器電源線和她遽低“般小于尤其應(yīng)用在低電。碰壓中，效率更低。根據(jù)線性電源的工作原理，其輸入電流接近于輸出電流，可以用輸出電壓與輸入電壓之比估算它的效率。若以供電電壓24V計(jì)，在輸出目標(biāo)電壓為30V時(shí)，其供電效率：顯然這種電源供電效率太低，根本無法滿足變送器低功耗要求。（2）式表明，線性穩(wěn)壓器的工作效率與輸出電壓成正比，如果輸出電壓太低，則大大影響了電源供電效率。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性電源有很大的進(jìn)展，開發(fā)出低壓差、微功耗的穩(wěn)壓器，即低差壓線性穩(wěn)壓器。其輸入電壓與輸出電壓之差小到0 2V時(shí)也能正常工作，靜態(tài)工作電流小于100UA，在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)僅耗電以A.與線性穩(wěn)壓器相比，開關(guān)式穩(wěn)壓器的供電效率較高（一般大于80%），輸入電壓范圍較寬，輸出功率大。但其主要缺點(diǎn)就是輸出電壓中所含紋波較大。原因是它內(nèi)部有一個(gè)施密特觸發(fā)器，一端輸入接電壓，一端輸入接反饋電壓，觸發(fā)器的輸出接到高頻振蕩器。開關(guān)電源工作時(shí)通過施密特觸發(fā)器的滯環(huán)特性，使輸出電壓保持穩(wěn)定。但正是由于觸發(fā)器的滯環(huán)特性的影響，造成了開關(guān)電源輸出紋波電壓比線性電源大一些，用示波器觀察顯示為不太規(guī)則的鋸齒波形。這對(duì)于那些對(duì)噪聲電壓（電流）比較敏感的智能變送器來說顯然是不利的。

　　可見，這兩種類型的電源各有特點(diǎn)，也都存在不足之處。傳統(tǒng)的一級(jí)穩(wěn)壓的方法來設(shè)計(jì)HART總線智能變送器的電源，顯然不能滿足其低功耗、對(duì)紋波電壓敏感的要求。實(shí)際上，設(shè)計(jì)時(shí)可以使用二級(jí)穩(wěn)壓的方法，將低壓差線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器配合使用。由于采用低壓差線性穩(wěn)壓器時(shí)，輸入輸出電壓差可減少到0 2V，可以將開關(guān)電源的輸出低電壓（如5V）再經(jīng)過低壓差線性穩(wěn)壓器的降噪處理，這樣取長補(bǔ)短，既可以提高供電效率，又可滿足紋波電壓小的要求。

　　22電流型低壓差線性穩(wěn)壓器需要注意的是，低壓差線性穩(wěn)壓器要選擇電流型的，而不能使用電壓型。電壓型低壓差線性穩(wěn)壓器，其原理是通過調(diào)整自身的電壓降來保證電壓的輸出穩(wěn)定，流經(jīng)穩(wěn)壓電路的電流隨負(fù)載電流的變化型低差壓線性穩(wěn)壓器是通過改變自身的電流消耗來使電壓穩(wěn)定的。系統(tǒng)消耗的電流是由電源決定的。對(duì)于低功耗的HART智能變送器來說，負(fù)載電流會(huì)隨著單片機(jī)CPU的休眠、低速運(yùn)轉(zhuǎn)、高速運(yùn)轉(zhuǎn)不同工作模式，硬件乘法器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、定時(shí)器、串行通信等模塊、I/O、外圍器件的工作狀態(tài)變化，導(dǎo)致儀表功耗在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。如果采用電壓型穩(wěn)壓器，對(duì)于輸出4~20mA電流變送器來說，自身功耗的不穩(wěn)定將導(dǎo)致輸出電流的波動(dòng)，而采用電流型穩(wěn)壓器，則可以較好地解決這一問題。

　　3低功耗電源設(shè)計(jì)實(shí)例下面以一個(gè)具有HART總線功能的智能渦街流量計(jì)的電源部分設(shè)計(jì)電路為例子，說明現(xiàn)場總線智能變送器的電源部分具體電路實(shí)現(xiàn)。

　　1電源電路分析該智能流量計(jì)除了具有HART現(xiàn)場總線功能外，還考慮到某些情況下就地顯示需要，加了液晶顯示模塊。由于液晶控制電路需要5V的驅(qū)動(dòng)電壓，其他功能芯片電路只需3V，電源電路需要實(shí)現(xiàn)兩次電壓轉(zhuǎn)換，電路如所示。

　　從中可以看出，設(shè)計(jì)時(shí)使用了兩個(gè)電源穩(wěn)壓元件。其中，開關(guān)式穩(wěn)壓器用的是AD公司的ADP3000，微功耗，輸出電壓可調(diào)/固定，內(nèi)部振蕩器的工作頻率可以達(dá)到400kHz，這樣的高頻率使外部電感和電容的數(shù)量少了許多。而電流型低壓差線性穩(wěn)壓器用的是TI公司的TL431，一種精密可調(diào)分流穩(wěn)壓器。輸出電壓可用兩個(gè)外面電阻設(shè)置5V）和36V之間的任何值，器件的輸出阻抗很小，一般只有02fi.顯然，這是一種比較典型的二級(jí)穩(wěn)壓設(shè)計(jì)方法。24V直流電壓先經(jīng)過ADP3000得到一個(gè)5V低電壓，然后再經(jīng)過TL431降壓變成3V.這樣做，既可以保證輸出的3V電壓精確、紋波電壓極小，也避免了電源功耗隨輸出電流波動(dòng)的影響。因此具有比較好的設(shè)計(jì)效果。

　　2元件參數(shù)選擇在整個(gè)電源電路設(shè)計(jì)中，ADP3000外圍的限流電阻Ri、電感Li、濾波電容Ei和G可以技術(shù)手冊來取值，這里不再贅述。下面主要分析一而變化94系統(tǒng)消耗的電流負(fù)載決定的。而1電流她下n電阻益巧以及如誠電源模塊電路圖和R3用來調(diào)節(jié)ADP3000輸出電壓的反饋值，反饋電壓再與內(nèi)部電壓Uref比較，來保持輸出電壓穩(wěn)定。于是，可由式（3）估算R2和R3關(guān)系式：1.245V.自動(dòng)化與儀器儀表，2000，25周鵬，趙青。一種基于現(xiàn)場總線HART協(xié)議的渦街流量計(jì)的設(shè)計(jì)與研制中國儀器儀表，2002（增魏小龍。MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例。北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002. Phillips線性穩(wěn)壓器在便攜產(chǎn)品中的應(yīng)用。電子產(chǎn)品世界，2002，20（6）：方波。線性穩(wěn)壓電源與開關(guān)穩(wěn)壓電源無線電，1998，33（8）：41.本文介紹的二級(jí)穩(wěn)壓的電源設(shè)計(jì)方案，不僅效率比單獨(dú)的低壓差線性穩(wěn)壓器高許多，而且和開關(guān)電源相比，它的輸出電壓紋波很小，精度也很高，很適合要求低功耗、多功能、負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)的HART總線智能變送器，并且該方法具有一定的通用性。

　　郝祖龍（1980―），男，碩士研宄生，研宄方向是檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置；常太華（1951―），女，教授，主要從事傳感器與先進(jìn)檢測技術(shù)等研宄。