CN106354681A - 一种用于变送器调理芯片的通信系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于变送器调理芯片的通信系统，包括传感器和传感器调理变送芯片，传感器调理变送芯片复用正电源端LOOP+进行通信，在正电源端LOOP+以电压形式通过电阻R1和电容C1的交流耦合输入信号；调制环路电流为输出信号进行传输，即负电源端LOOP‑为信号输出端。无需额外的通信接口，节省了端口资源。本发明所述的通信模式可以灵活地切换到电流变送输出状态。芯片在上电时设置了一个通信时间窗口；如果在通信时间窗口检测到了进入通信模式命令，芯片会进入通信模式；否则，芯片自动退出通信模式进入正常电流变送输出状态；在通信模式下，通过发送退出通信模式命令使芯片进入正常电流变送输出状态，或者通过发送禁用通信模式命令使芯片在下次上电后立刻进入正常电流变送输出状态，方便用户使用。

Description

一种用于变送器调理芯片的通信系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种芯片的通信方式，尤其涉及一种用于变送器调理芯片的通信系统及其方法。
背景技术
两线制4mA～20mA电流输出型的变送器被广泛用于各种工业控制领域，用于对压力、温度、流量等各种信号通过传感器检测，然后由调理芯片校准并实现电流变送输出。变送器的调理电路通常需要提供一个通信接口，以便在生产过程或者工业现场中对变送器进行标定和编程。常见的通信接口包括两种，HART(可寻址远程传感器高速通道通信协议)或者串口。
图1为基于HART通信协议的变送器方案，包含传感器，传感器调理变送芯片，HART调制解调芯片和电阻电容耦合网络。HART使用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4mA～20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯。HART协议通常需要一颗专用调制解调芯片对HART输入信号进行解调和对输出信号进行调制，以及一颗MCU芯片对HART协议进行解析，因此成本较高。
串口常见的通信协议如RS232，RS485或者I2C,SPI等，通常需要两根以上额外的接口线，带来额外的成本的同时，也带来一些生产上的不方便。图2为基于RS232串口通信的变送器方案，除了传感器和传感器调理变送芯片，还增加了3个额外的通信接口RX，TX和GND。
鉴于以上所述现有技术的缺点，有必要提供一种改良的通信方式来实现可靠，低成本的变送器调理方案。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种用于变送器调理芯片的通信系统及其方法，该通信系统及其方法不仅成本低而且解析方便、可靠。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于变送器调理芯片的通信系统，该系统基于两线制电流输出变送器，包括传感器和传感器调理变送芯片，传感器与传感器调理变送芯片连接，传感器调理变送芯片复用正电源端LOOP+进行通信，在正电源端LOOP+以电压形式通过电阻R1和电容C1的交流耦合输入信号；调制环路电流为输出信号进行传输，即负电源端LOOP-为信号输出端。无需额外的通信接口，相比大多数传统的通信协议如RS232，RS485或者I2C，SPI等协议，节省了端口资源。
作为优选，其电路结构部分为：包括控制器、数模转换器、运算放大器和三极管，所述电容C1的一端与正电源端LOOP+连接，其另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端连接至传感器调理变送芯片的一个I/O口，即IN脚；所述I/O口通过施密特触发器连接至控制器,所述控制器与数模转换器连接，数模转换器通过电阻R2连接至运算放大器的正相输入端，所述运算放大器的输出端OUT连接至三极管的基极；三极管的集电极连接至电容C1和正电源端LOOP+之间，其发射集通过电阻R4连接至负电源端LOOP-；所述电阻R2上串联一电阻R3并连接至负电源端LOOP-；所述运算放大器的反相输入端连接至三极管的发射集。所述数模转换器、由电阻R2和R3组成的电阻网络、运算放大器、三极管以及电阻R4共同组成电流变送电路，输出信号通过对电流变送电路的调制后以电流形式输出。输入信号通过正电源端LOOP+交流耦合到传感器调理变送芯片的一个I/O口，通过交流耦合的方式实现了正电源端高压的隔离，在本电路结构部分通过交流耦合的方式隔离了电源的交流高压，避免了高电源电压损坏芯片内部部件；而且，由于电流变送电路为闭环结构，输出信号的抗干扰能力得到了增强。
作为优选，输入信号和输出信号均通过调节方波占空比来区分数据0和数据1，方波占空比为25％的信号代表数据0，方波占空比为75％的信号代表数据1。所述的通信数据格式比传统用于HART通信的FSK调制数据格式更加易于解析，不需要专用调制解调芯片对HART输入信号进行解调和对输出信号进行调制，以及一颗MCU芯片对HART协议进行解析，大大降低了变送器方案的成本。
一种用于变送器调理芯片的通信方法，包括以下步骤：
(1)传感器调理变送芯片在上电时设置了一个通信时间窗口；
(2)如果在通信时间窗口检测到了进入通信模式命令，芯片会进入通信模式；否则，芯片自动退出通信模式进入正常电流变送输出状态；
(3)在通信模式下，通过发送退出通信模式命令使芯片进入正常电流变送输出状态，或者通过发送禁用通信模式命令使芯片在下次上电后立刻进入正常电流变送输出状态，方便用户使用。
本发明的有益效果：本专利的通信系统是基于两线制电流输出变送器，包含电路架构和通信数据格式两部分，通过简化的电路构架和易于解析的通信数据格式，实现了一种可靠、低成本的变送器调理方案。
附图说明
图1为现有技术中使用HART通信协议的变送器方案图；
图2为现有技术中使用RS232串口通信的变送器方案图；
图3为本发明通信系统的变送器方案图；
图4为本发明电路结构图；
图5为本发明所述的通信数据格式图；
图6为本发明所述的通信方法模式切换图；
其中：10.传感器，20.传感器调理变送芯片，30.控制器，40.数模转换器，50.运算放大图，60.三极管，70.施密特触发器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图3所示，公开了本发明一种用于变送器调理芯片的通信系统，该系统基于两线制电流输出变送器，包括传感器10和传感器调理变送芯片20，传感器10与传感器调理变送芯片20连接，传感器调理变送芯片20复用正电源端LOOP+进行通信，在正电源端LOOP+以电压形式通过电阻R1和电容C1的交流耦合输入信号；调制环路电流为输出信号进行传输，即负电源端LOOP-为信号输出端。其无需额外的通信接口，相比大多数传统的通信协议如RS232，RS485或者I2C，SPI等协议，节省了端口资源。
如图4所示，本发明所述的电路结构通过外围的电容C1和电阻R1将正电源端LOOP+的输入信号交流(AC)耦合到传感器调理变送芯片20的一个I/O口，即IN脚，通过AC耦合的方式隔离了电源的交流(DC)高压，避免高电源电压损坏芯片内部器件。传感器调理变送芯片20内部的施密特触发器70将进入IN脚的输入信号整形成内部的数字信号，传输到控制器30进行解析。控制器30解析完信号之后会给出对应的输出信号，通过由传感器调理变送芯片20内部的数模转换器模块40，电阻网络R2、R3，运算放大器50和外部的三极型晶体管60以及电阻R4构成的电流变送电路，以电流形式输出。由于电流变送电路为闭环结构，输出信号的抗干扰能力得到增强。
如图5所示，本发明所述的输入信号和输出信号都通过调节方波占空比来区分数据0和数据1，方波占空比为25％的信号代表数据0，方波占空比为75％的信号代表数据1。其中输入信号为AC耦合到传感器调理变送芯片20的电压信号，高电平为VH，低电平为VL，变送器的工作电压一般不低于12V，也即VL不低于12V。传感器调理变送芯片20工作电压为5V的情况下，VH通常略大于VL+5V。输出信号为电流变送电路调制输出的电流信号，高电流为IH，低电流为IL。所述的通信数据格式比传统用于HART通信的FSK调制数据格式更加易于解析，不需要专用调制解调芯片对HART输入信号进行解调和对输出信号进行调制，以及一颗MCU芯片对HART协议进行解析，大大降低了变送器方案的成本。
如图6所示，为本发明一种用于变送器调理芯片的通信方法，其可以灵活的切换到电流变送输出状态，包括以下步骤：
(1)传感器调理变送芯片在上电时设置了一个通信时间窗口；
(2)如果在通信时间窗口检测到了进入通信模式命令，芯片会进入通信模式；否则，芯片自动退出通信模式进入正常电流变送输出状态；
(3)在通信模式下，通过发送退出通信模式命令使芯片进入正常电流变送输出状态，或者通过发送禁用通信模式命令使芯片在下次上电后立刻进入正常电流变送输出状态，方便用户使用。

Claims (6)

1.一种用于变送器调理芯片的通信系统，该系统基于两线制电流输出变送器，其特征在于，包括传感器(10)和传感器调理变送芯片(20)，传感器(10)与传感器调理变送芯片(20)连接，传感器调理变送芯片(20)复用正电源端LOOP+进行通信，在正电源端LOOP+以电压形式通过电阻R1和电容C1的交流耦合输入信号；调制环路电流为输出信号进行传输，即负电源端LOOP-为信号输出端。
2.根据权利要求1所述的用于变送器调理芯片的通信系统，其特征在于，其电路结构部分为：包括控制器(30)、数模转换器(40)、运算放大器(50)和三极管(60)，所述电容C1的一端与正电源端LOOP+连接，其另一端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端连接至传感器调理变送芯片(20)的一个I/O口，即IN脚；所述I/O口通过施密特触发器(70)连接至控制器(30),所述控制器(30)与数模转换器(40)连接，数模转换器(40)通过电阻R2连接至运算放大器(50)的正相输入端，所述运算放大器(50)的输出端OUT连接至三极管(60)的基极；三极管(60)的集电极连接至电容C1和正电源端LOOP+之间，其发射集通过电阻R4连接至负电源端LOOP-；所述电阻R2上串联一电阻R3并连接至负电源端LOOP-；所述运算放大器(50)的反相输入端连接至三极管(60)的发射集。
3.根据权利要求2所述的用于变送器调理芯片的通信系统，其特征在于，所述数模转换器(40)、由电阻R2和R3组成的电阻网络、运算放大器(50)、三极管(60)以及电阻R4共同组成电流变送电路，输出信号通过对电流变送电路的调制后以电流形式输出。
4.根据权利要求1所述的用于变送器调理芯片的通信系统，其特征在于，输入信号通过正电源端LOOP+交流耦合到传感器调理变送芯片(20)的一个I/O口，通过交流耦合的方式实现了正电源端高压的隔离。
5.根据权利要求2所述的用于变送器调理芯片的通信系统，其特征在于，输入信号和输出信号均通过调节方波占空比来区分数据0和数据1，方波占空比为25％的信号代表数据0，方波占空比为75％的信号代表数据1。
6.一种用于变送器调理芯片的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)传感器调理变送芯片在上电时设置了一个通信时间窗口；
(2)如果在通信时间窗口检测到了进入通信模式命令，芯片会进入通信模式；否则，芯片自动退出通信模式进入正常电流变送输出状态；
(3)在通信模式下，通过发送退出通信模式命令使芯片进入正常电流变送输出状态，或者通过发送禁用通信模式命令使芯片在下次上电后立刻进入正常电流变送输出状态，方便用户使用。
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