基于MAXQ微控制器構(gòu)建增強型智能4

1、基于maxq微控制器構(gòu)建增強型智能4在環(huán)路中，的輸出首先按比例轉(zhuǎn)換成電流，普通4ma表示傳感器的零電平輸出，20ma表示滿量程輸出。遠(yuǎn)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(jìn)一步處理。典型的4-20ma電流環(huán)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)銜接，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(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的比例電流。為適應(yīng)工業(yè)需求，浮現(xiàn)了稱作“智能

2、型變送器”的其次代4-20ma變送器，這種變送器采納微控制器(c)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器調(diào)理遠(yuǎn)端信號。智能型變送器可以對增益和失調(diào)舉行校準(zhǔn)，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c內(nèi)部的數(shù)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)電流的形式沿環(huán)路傳輸。最新的第三代4-20ma變送器(圖2)被認(rèn)為是“增加型智能”變送器。它們增強了與4-20ma信號分享雙絞線的數(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增加型智能變送器框圖智能型變送器所用法的通信標(biāo)準(zhǔn)是hart協(xié)議，該協(xié)議基于bell 202電話通信標(biāo)準(zhǔn)

3、，采納頻移鍵控(fsk)方式。其數(shù)字信號1和0分離由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)字信號同時通信由于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，而不會阻礙模擬信號。允許的最小環(huán)路阻抗為23。4-20ma增加型智能變送器對c的基本要求要實現(xiàn)這種4-20ma電流環(huán)路應(yīng)用，c必需具備三種特定性能：串行接口，銜接用于數(shù)據(jù)采集的和用于設(shè)置環(huán)路電流的。由于電流預(yù)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

4、解碼hart協(xié)議中的兩種頻率。挑選cmaxq系列risc c具備上述全部必須的功能(圖4)。圖4. maxq c架構(gòu)框圖模擬功能maxq c包含若干模擬功能。采納的時鐘管理計劃只對當(dāng)前用法的模塊提供時鐘。例如，假如一條命令用到數(shù)據(jù)指針(dp)和算術(shù)規(guī)律單元(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 c具有先進(jìn)的功能，通過動態(tài)地將c處理速度與需要的性能水平相匹配，可使功耗降至最低。例如，工作量削減的狀況下，功耗較低。要投入更多的處理能力時，c就需要提高工作頻率。軟件可選的時鐘分頻操作，允許靈便地挑選1、2、4或8個周期作為一個系統(tǒng)時鐘周期。通過軟件實現(xiàn)這

5、一功能，因此c在不需要增強額外硬件成本的狀況下即可進(jìn)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，c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迅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。全部這些功

6、能使maxq c的處理能力達(dá)到3/ma，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出最臨近的其它處理器(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 c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：yn = bixn-i + aiyn-i式中，bi和ai分離表征系統(tǒng)的前饋和反饋響應(yīng)特性。按照ai和bi的不同取值，數(shù)字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(dāng)系統(tǒng)不包含反饋(全部ai = 0)時，濾波器為fir型：yn = bixn-i然而，假如ai和bi都不為零，則濾波器是iir型。從

7、上面的fir濾波器方程可以看出，主要的數(shù)學(xué)運算是將各輸入采樣乘以一個常數(shù)，然后將n個乘堆積加。下面這段c程序可解釋該運算：yn=0;for(i=0; iyn += x i * b imaxq c的mac需要4 + 5n個周期完成此運算，代碼空間惟獨9個字(而傳統(tǒng)c和mac需要12個字)。move dp0, x ; dp0 - x0move dp, b ; dp - b0move lc0, loop_cnt ; lc0 - number of samplesmove mcnt, init_mac   initialize mac unitmac_loop:move dp0, d

8、p0 ; activate dp0move ma, dp0+ ; get sample into macmove dp, dp ; activate dpmove mb, dp+ ; get coeff into mac and multiplydjnz lc0, mac_loop.(maxq架構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲器拜訪詳情參見附錄)。注重：在maxq的mac中，裝入其次個操作數(shù)時，自動執(zhí)行被哀求的操作，運算結(jié)果存入mc寄存器。還須注重：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)辦法的改進(jìn)，傳統(tǒng)辦法在每次基本操作后都要驗證是否溢出。maxq2000 c的獨特性能低功耗

9、、16位risc微控制器maxq2000是 maxq家族的第一個成員。它具有液晶()接口，可驅(qū)動多達(dá)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。工作頻率最大為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(uart)。為了靈便起見，微控制器內(nèi)核電源(1.8v)與i/o子系統(tǒng)電源自立。超低功耗的休眠模式使maxq2000成為便攜式和電池供電設(shè)備的抱負(fù)挑選。maxq2000

10、評估板功能強大的maxq2000 c可以利用其評估板(ev)舉行評估，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?？烧{(diào)電源(1.8v至3.6v)，可用作vddio或vlcd電源。對應(yīng)maxq2000全部信號和電源的插頭引腳。自立的lcd子板。lcd子板，裝有3v、3.5位靜態(tài)lcd顯示器。銜接串行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(fù)位按鈕。max1407多功能adc/dac芯片，銜接到maxq2000的spi接

11、口。1-wire接口和1-wire eeprom芯片。條型顯示，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變送器需要的全部功能：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c；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 c的4-20ma變送器hart調(diào)制解調(diào)器的實現(xiàn)假如系統(tǒng)包含1 200hz和2200hz (分離代表1和0)頻率，同時要對這些頻率舉行檢測，可以

12、采納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)?？梢灶A(yù)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)。必需計算能使振蕩器開頭振蕩的初始激勵。假如 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采納如下設(shè)置：xn-2 = -a*sin2(頻率/采樣率)在本例中，假設(shè)采納單位幅度的正弦波，

13、該式簡化為 xn-2 = -1sin(2(1200/8000)。為進(jìn)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，可舉行下列運算：x0 = kx1 - x2x2 = x1x1 = 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 c的單周期硬件mac，可以采納如下操作產(chǎn)生正弦波：move dp0, x1 ; dp0 - x1move mcnt, init_mac ; initialize mac unitmove ma, k ; ma = kmove mb, dp0+ ;

14、mb = x1, mc="k"*x1, point to x2move ma, -1 ; ma = -1move mb, dp0- ; mb = x2, mc="k"*x1-x2, point to x1nop ; wait for resultmove -dp0, mc ; store result at x0.由于我們只需要檢測兩種頻率，所以采納改進(jìn)的goertzel算法，這種算法可以用容易的二階濾波器實現(xiàn)(圖8)。圖8. 利用容易的二階濾波器實現(xiàn)goertzel算法要用法goertzel算法檢測特定頻率，編譯時要首先用法下式計算出常數(shù)：k = tone frequency/sampling ratea1 = 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舉行下列計算：d0