簡單的環(huán)路工作
在電流環(huán)路中，傳感器的輸出電壓首先按比例轉(zhuǎn)換成電流，一般4mA表示傳感器的零電平輸出，20mA表示滿量程輸出。遠端接收器將4-20mA電流又轉(zhuǎn)換為電壓，利用計算機或顯示模塊做進一步處理。
典型的4-20mA電流環(huán)電路包括四個部分：傳感器/變送器、電壓-電流轉(zhuǎn)換器、環(huán)路電源和接收器/監(jiān)視器。在環(huán)路供電的應(yīng)用中，傳感器驅(qū)動電壓-電流轉(zhuǎn)換器，其他三個部分串聯(lián)連接，構(gòu)成閉環(huán)回路(圖1)。
圖1. 4-20mA環(huán)路供電電路框圖
智能型4-20mA變送器
傳統(tǒng)上，4-20mA變送器包括一個安裝在現(xiàn)場的器件，該器件感測物理參數(shù)并產(chǎn)生4-20mA標準范圍內(nèi)的比例電流。為適應(yīng)工業(yè)需求，出現(xiàn)了稱作“智能型變送器”的第二代4-20mA變送器，這種變送器采用微控制器(μC)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器調(diào)理遠端信號。
智能型變送器可以對增益和失調(diào)進行校準，通過將傳感器模擬信號數(shù)字化(如RTD傳感器和熱電偶)實現(xiàn)線性化處理，用駐留在μC內(nèi)部的數(shù)學算法處理信號，再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬信號，結(jié)果以標準電流的形式沿環(huán)路傳輸。
的第三代4-20mA變送器(圖2)被認為是“增強型智能”變送器。它們增加了與4-20mA信號共享雙絞線的數(shù)字通信功能。所提供的通信通道在傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時，還可傳輸控制和診斷信號。
圖2. 4-20mA增強型智能變送器框圖
智能型變送器所使用的通信標準是Hart協(xié)議，該協(xié)議基于Bell 202電話通信標準，采用頻移鍵控(FSK)方式。其數(shù)字信號1和0分別由1200Hz和2200Hz頻率表示。這些頻率的正弦波疊加在傳感器的直流模擬信號上，同時提供模擬和數(shù)字通信(圖3)。
圖3. 模擬和數(shù)字信號同時通信
因為FSK信號的平均值始終為零，4-20mA模擬信號在此過程中不受影響。數(shù)字狀態(tài)每秒鐘可以轉(zhuǎn)換兩到三次，而不會妨礙模擬信號。允許的小環(huán)路阻抗為23。
4-20mA增強型智能變送器對μC的基本要求
要實現(xiàn)這種4-20mA電流環(huán)路應(yīng)用，μC必須具備三種特定性能：
串行接口，連接用于數(shù)據(jù)采集的ADC和用于設(shè)置環(huán)路電流的DAC。
因為電流預算為4mA，所以要求低功耗。
乘法-累加單元(MAC)，既完成輸入信號的數(shù)字濾波，又同時編碼和解碼Hart協(xié)議中的兩種頻率。
選擇μC
MAXQ系列RISC μC具備上述所有必需的功能(圖4)。
圖4. MAXQ μC架構(gòu)框圖
模擬功能
MAXQ μC包含若干模擬功能。采用的時鐘管理方案只對當前使用的模塊提供時鐘。例如，如果一條指令用到數(shù)據(jù)指針(DP)和算術(shù)邏輯單元(ALU)，那么只給這兩個模塊提供時鐘。這一技術(shù)降低了功耗和開關(guān)噪聲。
低功耗
MAXQ μC具有先進的電源管理功能，通過動態(tài)地將μC處理速度與需要的性能水平相匹配，可使功耗降至。例如，工作量減少的情況下，功耗較低。要投入更多的處理能力時，μC就需要提高工作頻率。
軟件可選的時鐘分頻操作，允許靈活地選擇1、2、4或8個振蕩器周期作為一個系統(tǒng)時鐘周期。通過軟件實現(xiàn)這一功能，因此μC在不需要增加額外硬件成本的情況下即可進入低功耗狀態(tài)。
還可為那些對功耗極其敏感的應(yīng)用提供另外三種低功耗模式：
PMM1: 256分頻電源管理模式
PMM2: 32kHz電源管理模式(PMME = 1，其中PMME是系統(tǒng)時鐘控制寄存器的第2位)
停止模式(STOP = 1)
在PMM1模式下，一個系統(tǒng)時鐘周期等于256個振蕩器周期，μC降速工作，從而大大降低了功耗。在PMM2模式下，器件以32kHz振蕩器作為時鐘源，工作速度更低。使能的中斷源發(fā)生中斷時，可選的時鐘返回功能可使器件快速退出電源管理模式，并返回到更快的內(nèi)部時鐘頻率上。這些使能的中斷源可以是外部中斷、UART和SPI模塊。所有這些功能使MAXQ μC的處理能力達到3MIPS/mA，性能遠遠超出接近的其它處理器(圖5)。
圖5. MAXQ與其他競爭產(chǎn)品的MIPS/mA性能比較
信號濾波處理
MAXQ μC內(nèi)部的MAC完成4-20mA應(yīng)用所需的信號處理功能。模擬信號輸入到ADC，在數(shù)字域濾波采樣流。用以下等式可實現(xiàn)通用濾波功能：
y[n] = bix[n-i] + aiy[n-i]
式中，bi和ai分別表征系統(tǒng)的前饋和反饋響應(yīng)特性。根據(jù)ai和bi的不同取值，數(shù)字濾波器可分為有限長沖激響應(yīng)型(FIR)或無限長沖 激響應(yīng)型(IIR)。當系統(tǒng)不包含反饋(所有ai = 0)時，濾波器為FIR型：
y[n] = bix[n-i]
然而，如果ai和bi都不為零，則濾波器是IIR型。
從上面的FIR濾波器方程可以看出，主要的數(shù)學運算是將各輸入采樣乘以一個常數(shù)，然后將n個乘積累加。下面這段C程序可說明該運算：
y[n]=0;
for(i=0; i
y[n] += x[i] * b[i]
MAXQ μC的MAC需要4 + 5n個周期完成此運算，代碼空間只有9個字(而傳統(tǒng)μC和MAC需要12個字)。
move DP[0], #x ; DP[0] -> x[0]
move DP[1], #b ; DP[1] -> b[0]
move LC[0], #loop_cnt ; LC[0] -> number of samples
move MCNT, #INIT_MAC &nbs
p;; Initialize MAC unit
MAC_LOOP:
move DP[0], DP[0] ; Activate DP[0]
move MA, @DP[0]++ ; Get sample into MAC
move DP[1], DP[1] ; Activate DP[1]
move MB, @DP[1]++ ; Get coeff into MAC and multiply
djnz LC[0], MAC_LOOP.
(MAXQ架構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲器訪問細節(jié)參見附錄)。
注意：在MAXQ的MAC中，裝入第二個操作數(shù)時，自動執(zhí)行被請求的操作，運算結(jié)果存入MC寄存器。還須注意：溢出前，MC寄存器寬度(40位)可以累加大量的32位乘法結(jié)果。該功能是對傳統(tǒng)方法的改進，傳統(tǒng)方法在每次基本操作后都要驗證是否溢出。
MAXQ2000 μC的獨特性能
低功耗、16位RISC微控制器MAXQ2000是Maxim MAXQ家族的個成員。它具有液晶顯示器(LCD)接口，可驅(qū)動多達100 (-RBX)或132 (-RAX)段。MAXQ2000極為適合血糖監(jiān)測應(yīng)用，并且適合任何需要高性能、低功耗工作的應(yīng)用。工作頻率為14MHz (VDD > 1.8V)或20MHz (VDD > 2.25V)。
MAXQ2000含有32k字的閃存(適合原型設(shè)計和小批量生產(chǎn))、1k字RAM、3個16位定時器，以及1或2個通用同步/異步收發(fā)器(UART)。為了靈活起見，微控制器內(nèi)核電源(1.8V)與I/O子系統(tǒng)電源獨立。超低功耗的休眠模式使MAXQ2000成為便攜式和電池供電設(shè)備的理想選擇。
MAXQ2000評估板
功能強大的MAXQ2000 μC可以利用其評估板(EV)進行評估，該評估板提供了完整的MAXQ2000硬件開發(fā)環(huán)境(圖6)。
圖6. MAXQ2000評估板方框圖
MAXQ2000評估板具有下列特點：
板上MAXQ2000內(nèi)核電源和VDDIO電源。
可調(diào)電源(1.8V至3.6V)，可用作VDDIO或VLCD電源。
對應(yīng)MAXQ2000所有信號和電源的插頭引腳。
獨立的LCD子板連接器。
LCD子板，裝有3V、3.5位靜態(tài)LCD顯示器。
連接串行UART (端口0)的RS-232電平驅(qū)動器，包括流量控制線。
外部中斷按鈕和微控制器系統(tǒng)復位按鈕。
MAX1407多功能ADC/DAC芯片，連接到MAXQ2000的SPI總線接口。
1-Wire接口和1-Wire EEPROM芯片。
條型LED顯示，指示端口引腳P0.7至P0.0的電平狀態(tài)。
JTAG接口，用于應(yīng)用程序下載和在系統(tǒng)調(diào)試。
因此，MAXQ2000評估板具備了構(gòu)建智能型4-20mA變送器需要的所有功能：具有真正乘法-累加單元(用于濾波和頻率編碼/解碼)的低功耗μC；轉(zhuǎn)換傳感器信號的ADC；產(chǎn)生模擬輸出信號的DAC (圖7)。加上一個低功耗Codec，如MAX1102，就可以實現(xiàn)一個HART調(diào)制解調(diào)器。
圖7. 基于MAXQ2000 μC的4-20mA變送器
HART調(diào)制解調(diào)器的實現(xiàn)
如果系統(tǒng)包含1 200Hz和2200Hz (分別代表1和0)頻率編碼器，同時要對這些頻率進行檢測，可以采用MAC實現(xiàn)HART調(diào)制解調(diào)器要求的這些功能。
要產(chǎn)生所需的正弦波形，可以利用下述差分方程描述的兩極點濾波器形式實現(xiàn)遞歸數(shù)字式諧振器：
Xn = k * Xn-1 - Xn-2,
式中，常數(shù)k等于2 cos(2*頻率/采樣率)。可以預先計算k的兩個值，并存在ROM中。例如，要用8kHz采樣率產(chǎn)生1200Hz頻率，該值為k = 2 cos(2*1200/8000)。
必須計算能使振蕩器開始振蕩的初始激勵。如果 Xn-1和 Xn-2都為0，接下來的每個Xn也都將為0。要啟動振蕩器，將 Xn-1設(shè)為0， Xn-2采用如下設(shè)置：
Xn-2 = -A*sin[2(頻率/采樣率)]
在本例中，假設(shè)采用單位幅度的正弦波，該式簡化為 Xn-2 = -1sin[(2(1200/8000)]。為進一步簡化編碼，首先，初始化兩個中間變量(X1, X2)。X1初始化為0，X2為初始激勵值(上面的計算結(jié)果)，以啟動振蕩器。這樣，要產(chǎn)生一個正弦波的采樣，可進行下列運算：
X0 = kX1 - X2
X2 = X1
X1 = X0
每個新的正弦值都需要一次乘法運算和一次減法運算。利用MAXQ μC的單周期硬件MAC，可以采用如下操作產(chǎn)生正弦波：
move DP[0], #X1 ; DP[0] -> X1
move MCNT, #INIT_MAC ; Initialize MAC unit
move MA, #k ; MA = k
move MB, @DP[0]++ ; MB = X1, MC="k"*X1, point to X2
move MA, #-1 ; MA = -1
move MB, @DP[0]-- ; MB = X2, MC="k"*X1-X2, point to X1
nop ; wait for result
move @--DP[0], MC ; Store result at X0.
因為我們只需要檢測兩種頻率，所以采用改進的Goertzel算法，這種算法可以用簡單的二階濾波器實現(xiàn)(圖8)。
圖8. 利用簡單的二階濾波器實現(xiàn)Goertzel算法
要使用Goertzel算法檢測特定頻率，編譯時要首先使用下式計算出常數(shù)：
k = tone frequency/sampling rate
a1 = 2cos(2k)
隨后，將中間變量D0、D1和D2初始化為0，并對每個收到的采樣X進行下列計算：
D0 = X + a1*D1 - D2
D2 = D1
D1 = D0
得到足夠多的采樣值以后(采用8kHz采樣率時，通常為205個采樣)，用計算出的D1和D2值進行下列計算：
P = D12 + D22 - a1 * D1 * D2.
這時，P包含了輸入信號中測試頻率的平方。
要對兩種頻率解碼，我們用兩個濾波器處理每個采樣。每個濾波器都有自己的k值和自己的一組中間變量，每個變量都是16位長，所以，整個算法需要48字節(jié)的中間存儲器空間。