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Referenzdesigns

Stromschleifen gespeistes Feldgerät mit HART-Schnittstelle

| Autor: Kristin Rinortner

Bild 1: Stromschleifen gespeistes 4/20mA Feldgerät mit HART-Schnittstelle (Vereinfachtes Schaltbild) (ADI)
Bild 1: Stromschleifen gespeistes 4/20mA Feldgerät mit HART-Schnittstelle (Vereinfachtes Schaltbild) (ADI) (Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Die hier vorgestellte Schaltung ist eine Beispielanwendung für integrierte Sensorik mit 4/20-mA-Analogausgang und HART-Schnittstelle.

Die hier vorgestellte Schaltung ist eine Beispielanwendung für integrierte Sensorik mit 4/20-mA-Analogausgang und HART-Schnittstelle.

Bei der Schaltung in Bild 1 handelt es sich um ein industrietaugliches Stromschleifen gespeistes Feldgerät mit 4/20-mA-Analogausgang und einer HART-Schnittstelle (Highway Addressable Remote Transducer). Die HART-Technologie ist eine digitale Zweiwege-Kommunikation, bei der ein FSK-Signal (Frequency-Shift-Keyed) mit 1 mAss auf das Standard-Analogsignal (4/20 mA) moduliert wird. Dies erlaubt Funktionen wie ferngesteuerte Kalibrierung, Fehlerabfrage und die Übertragung von Prozessvariablen, die in Anwendungen wie Temperatur- und Drucksteuerungen erforderlich sind.

Die Schaltung hat einen Compliance-Test durchlaufen, wurde getestet, verifiziert und bei der HART Communication Foundation (HCF) registriert.

Die Schaltung besteht aus dem ADuCM360, einem analogen Präzisions-Mikrocontroller mit geringem Energieverbrauch, dem AD5421, einem 16-Bit-D/A-Wandler, der aus der 4/20mA-Schleife versorgt wird, und dem AD5700, einem HART-konformen Modem-IC.

Analoge Front-End-Schnittstelle

Die analoge Eingangsstufe ADuCM360 enthält einen Zweifach Sigma/Delta-A/D-Wandler mit 24 Bit. Ebenfalls enthalten sind Instrumentenverstärker mit programmierbarer Verstärkung, eine Präzisions-Band-Gap-Referenz, programmierbare Stromquellen, ein flexibler Multiplexer und viele weitere Funktionen. Der direkte Anschluss an Analogsensoren wie Drucksensorbrücken, Widerstandthermometer, Thermoelemente und andere Sensortypen ist möglich.

Die Schaltung in Bild 1 zeigt eine Beispielverbindung für einen primären Brückensensor und ein sekundäres Widerstansthermometer. Die flexible Eingangsstufe des ADuCM360 ermöglicht jedoch viele andere Konfigurationen zur Entwicklung beliebiger und präziser Sensoranwendungen.

Primärer Sensoreingang

Der auf dem Chip des ADuCM360 befindliche ADC0 misst den primären Sensor des Feldgerätes, in Bild 1 als Brückenwandler dargestellt. Der Sensor ist für eine höhere elektromagnetische Störfestigkeit über ein RC-Filternetzwerk an die analogen Eingangspins AIN0 und AIN1 angeschlossen. Die Gleichtakt-Filterbandbreite beträgt etwa 16 kHz, die differenzielle Bandbreite 800 Hz.

Die Referenzspannungseingänge UREF+ und UREF− am ADuCM360 erfassen die Brückenanregungsspannung und eine ratiometrische Messung durch. Damit wird die Messung unabhängig vom exakten Wert der Sensor-Versorgungsspannung. Der integrierte Masseschalter trennt die Brückenanregung dynamisch und spart so Energie, falls die Anwendung dies verlangt.

Sekundärer Sensoreingang

Die Schaltung nutzt einen Pt-100-Widerstandsthermometer als sekundären Sensor. Das Widerstandsthermometer (RTD) misst die Temperatur des primären Sensors und ermöglicht somit eine Temperaturkompensation des primären Sensors, falls erforderlich.

Die programmierbare Stromquelle ADuCM360 versorgt das Widrestandsthermometer über den Anschluss AIN4. Der ADC1 auf dem ADuCM360 misst die Spannung über dem RTD mit Hilfe der als differenziellen Eingang konfigurierten Anschlüsse AIN3 und AIN2. Die genaue Höhe des Stromes, der durch das Widerstandsthermometer fließt, wird über einen Präzisionswiderstand (RREF) ermittelt und mit dem ADC1 über den Anschluss AIN7 gemessen. Der ADC1 nutzt die integrierte Band-Gap-Spannungsreferenz.

Digitale Datenverarbeitung, Algorithmus und Kommunikation

Der ADuCM360 enthält einen 32 Bit ARM Cortex M3 RISC-Prozessor mit integriertem 128 kByte nichtflüchtigem Flash/EE Memory, 8 kByte SRAM und einem 11-kanaligen DMA-Controller, der Kommunikationsperipherie (2× SPI, UART, I²C) unterstützt.

Die Demonstrationssoftware führt die Initialisierung und Konfiguration aus, verarbeitet Daten von den Analogeingängen, steuert den Analogausgang und übernimmt die HART-Kommunikation.

Analogausgang

Im AD5421 befindet sich ein 16-Bit-Präzisions-D/A-Wandler mit 4/20mA schleifenversorgtem Ausgangstreiber. Das Bauteil stellt alle Funktionen bereit, die für den Analogausgang des Feldgerätes erforderlich sind.

Der AD5421 wird über die SPI-Schnittstelle mit dem Controller ADuCM360 verbunden.

Ebenfalls im AD5421 enthalten sind eine Reihe von Diagnosefunktionen für die 4/20-mA-Schleife. Der Hilfs-ADC misst mit einem Widerstandsteiler 20 MΩ/1 MΩ am Anschluss VLOOP die Spannung über den Schleifenanschlüssen des Gerätes. Der A/D-Wandler detektiert über den integrierten Sensor auch die Chiptemperatur. Der Controller ADuCM360 konfiguriert und liest die gesamte Diagnose des AD5421 aus. Alternativ kann der AD5421 auch unabhängig arbeiten.

Ein Beispiel: Falls die Kommunikation zwischen dem Controller und dem AD5421 versagt, setzt der AD5421 nach einer bestimmten Zeit seinen Analogausgang automatisch auf einen Alarmstrom von 3,2 mA. Dieser Alarmstrom signalisiert dem Host, dass das Feldgerät nicht funktioniert.

Die Software steuert jede Änderung des Ausgangsstromes von einem Wert zum anderen, um Störungen der HART-Kommunikation zu vermeiden.

HART-Kommunikation

Der AD5700 enthält ein komplettes HART-FSK-Modem. Das Modem ist über eine Standard-UART-Schnittstelle an den Controller ADuCM360 angeschlossen, komplementiert durch RTS (Request to Send) und das CD-Signal (Carrier Detect).

Die Amplitude der Spannung am HART-Ausgang ist durch den kapazitiven Teiler (0,068 μF/0,22 μF) auf den erforderlichen Wert eingestellt und an den Pin CIN des AD5421 gelegt. Dort wird die Spannung mit dem DAC-Ausgang kombiniert, um den Ausgangsstrom zu treiben und zu modulieren.

Der HART-Eingang wird von LOOP+ über einen einfachen passiven RC-Filter in den ADC-IP-Pin des AD5700 eingekoppelt. Der RC-Filter arbeitet als erste Stufe als Bandpassfilter für den HART-Demodulator und verbessert die elektromagnetische Störfestigkeit des Systems. Dies ist wichtig für robuste Anwendungen, die in rauen Industrieumgebungen arbeiten müssen.

Der Oszillator AD5700 mit geringem Energieverbrauch erzeugt das Taktsignal für das HART-Modem. Verwendet wird ein externer 3,8664-MHz-Quarz, der direkt an die Pins XTAL1 und XTAL2 angeschlossen ist.

Ausgangsschutz

Ein Überspannungsbegrenzer schützt die 4/20-mA-HART-Schnittstelle vor Überspannung. Er ist so dimensioniert, dass die maximal zulässige Spannung von 60 V am Pin REGIN des AD5421 nicht überschritten wird. Der Leckstrom des Überspannungsbegrenzers kann die Genauigkeit des Ausgangsstromes beeinträchtigen; deshalb sollte man den Leckstrom bei der Auswahl des Überspannungsbegrenzers im Auge behalten.

Ein externer FET (Verarmungstyp) kann in Verbindung mit dem AD5421 verwendet werden, um die maximale Schleifenspannung zu erhöhen.Die Schaltung wird mit einem Diodenpaar in Serie mit dem Schleifenausgang gegen Verpolung geschützt.

Die Ferritperlen in Reihe mit der Schleife verbessern zusammen mit dem 4700-pF-Kondensator den Störschutz des Systems. Ein Kondensator mit höherer Kapazität sollte aufgrund der HART-Netzwerkspezifikation über den Schleifenanschlüssen nicht verwendet werden.

Die Zener-Diode (4,7 V) mit geringem Leckstrom schützt den auf dem Chip des AD5421 befindlichen 50-Ω-Schleifenwiderstand im Fall einer extern anliegenden Spannung zwischen dem COM-Pin des AD5421 und dem LOOP−Pin (zum Beispiel bei der Programmierung des ADuCM360 oder beim Debuggen der Schaltung).

Stromversorgungen und Power-Management

Die komplette Schaltung einschließlich des Sensortreibers muss mit der begrenzten Energie aus der 4/20-mA-Schleife arbeiten. Dies ist bei allen Stromschleifen gespeisten Feldgeräten eine übliche Herausforderung. Die Schaltung in Bild 1 zeigt eine Lösung, die mit wenig Energie auskommt und dennoch sehr leistungsfähig ist. Alle drei in der Anwendung verwendeten integrierten Schaltungen sind auf einen niedrigen Energieverbrauch optimiert. Die Schaltung nutzt ihre integrierten Funktionen, um eine flexible Power-Management-Struktur und eine optimale schleifengespeiste Lösung zu realisieren.

Der AD5421 wird von der Schleifenspannung der 4/20-mA-Schleife versorgt und stellt der restlichen Schaltung eine geregelte Spannung zur Verfügung. Die Spannung REGOUT des AD5421 ist über den Anschluss-Pin programmierbar. Je nach Anforderung der Schaltung kann sie 1,8 bis 12 V betragen. Die Schaltung in Bild 1 nutzt die 3,3-V-Versorgungsspannungsoption. Die Bauteile ADuCM360 und AD5700 haben jedoch einen größeren Versorgungsspannungsbereich; daher kann eine andere, für die Anwendung passende Versorgungsspannung genutzt werden.

Der REGOUT-RC-Filter (10 μF/10 Ω/10 μF) unterdrückt Interferenzen, die aus der Schleife kommen und das analoge Front-End beeinträchtigen. Der Filter verhindert auch, dass von der Schaltung, speziell vom Controller und dem digitalen Bereich erzeugte Störungen in die Schleife gelangen. Dies ist für eine zuverlässige HART-Kommunikation wichtig.

Das HART-Modem AD5700 wird über einen zusätzlichen RC-Filter (470 Ω/1 μF) versorgt. Dieser Filter ist in einer schleifengespeisten Anwendung sehr wichtig, da er verhindert, dass Stromrauschen vom AD5700 in den 4/20-mA-Schleifenausgang eingekoppelt wird und so die HART-Kommunikation beeinträchtigt. Das Rauschen der 4/20-mA-Schleife wird speziell durch das HART-In-Band Rauschen während des Rauschtests gemessen. Das Modem nutzt den externen Quarz mit 8,2-pF-Kondensatoren nach Masse an den Pins XTAL1 und XTAL2. Diese Option benötigt die wenigste Energie.

Der ADuCM360 verfügt über ein sehr flexibles internes Power-Management mit vielen Optionen zur Versorgung und Taktung aller internen Blöcke und ermöglicht eine ausgewogene Balance zwischen der benötigten Funktion, der Leistungsfähigkeit und dem Energiebedarf für die spezielle Instrumentierung.

Die AVDD des analogen Front-Ends wird von einem anderen Filter (10 μF/Ferritperle/1,6 Ω/10 μF) bereitgestellt, um das Stromversorgungsrauschen zu minimieren und die Leistungsfähigkeit für Sensorsignale mit niedrigen Pegeln zu erhöhen.

Der Masseschalter-Pin GND_SW des ADuCM360 steuert die Anregung/Stromversorgung für den primären Sensor. Beim Einschalten des Geräts steht der Schalter auf der Stellung „Aus”. Diese Voreinstellung erlaubt die komplette Konfiguration des Systems einschließlich geeigneter Power-Betriebsarten vor dem Einschalten des Sensors. So lassen sich mögliche Einschaltstromspitzen am 4/20-mA-Schleifenausgang minimieren.

Auf ähnliche Weise wird der sekundäre Sensor von der programmierbaren Stromquelle des ADuCM360 versorgt. Daher wird seine Versorgung komplett über die Software gesteuert.

Den ausführlichen Beitrag mit Testergebnissen und weiteren Bildern finden Sie im Internet unter http://www.elektronikpraxis.vogel.de/sensorik/articles/425841/ Der Autor: Michal Brychta ist Applikationsingenieur bei Analog Devices in Irland.

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