（或单片机）技术的成熟，原来的老式模拟变送器逐渐退出了历史舞台，取而代之是以微控制器为数据处理和控制核心的智能变送器。智能变送器扩展了模拟变送器的功能，不仅提高了测量精度和工作可靠性，还可以很容易地实现线性化处理、温度补偿、自动零点和量程调整及数字通信等功能。
近年来，现场总线技术成为仪表和控制行业的研究热点。与一般智能变送器相比，现场总线变送器具有更多的优势。由于工业现场使用4~ 20mA标准的变送器仍大量存在，考虑到与标准模拟信号的兼容性，美国Rosemount公司于1986年提出了一种过渡性现场总线标准，即HART远程传感器通路）通信协议。目前，HART协议己成为全球应用最为广泛的现场通信协议之一。
HART总线智能变送器在开发低功耗的HART总线智能变送器时，仪器内部的电源设计十分关键。首先，一般情况下具有微处理器的智能变送器比普通4~ 20mA变送器要消耗更多的功率，需要内部电源具有更高的供电效率。其次，随着控制技术、计算机技术以及网络技术的渗透和融合，变送器也逐渐向多功能方向发展。在一些大中型过程控制中，现场总线仪表开始广泛应用。要实现数据量、控制量的远程通讯，变送器本身应该有相应的硬件通讯接口和软件模块；同时，对于应用于FCS（现场总线控制系统）的智能变送器，由于FCS将DCS（分散控制系统）控制站的功能块分散给现场设备，构成虚拟控制站，这样，现场总线变送器又加了诸如PID控制和运算功能块，势必也要加功耗。另外，在许多化工行业中，现场环境会有易燃易爆气体，对现场仪表的防爆等级有一定要求。其中，本质安全型仪表防爆效果相对较好，应用也很广泛。本安型仪表通常都是在安全区用本质安全电路（如安全栅）来限制电火花和热效应两个可能的引爆源来实现防爆。这实际上也是一种低功耗设计技术。由此可见，在设计符合HART现场总线功能的智能变送器时，为满足低功耗要求，有必要分析一下电源设计问题。
1HART总线智能变送器功耗分析1HART协议简介HART协议采用了基于Bell202标准的FSK频移键控信号，它在4~20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的正弦调制波。并规定1 2kHz代表逻辑“1”，22kHz代表逻辑*0*.由于所叠加的正弦信号平均值为0，所以，数字通信信号不会干扰4~20mA的模拟信号。
HART协议了ISO/OSI（开放系统互连）模型，采用了它的简化三层模型结构，即第一层物理层，第二层数据链路层和第七层应用层，并且允信号线复用，变送器本身电路功耗电流加上05mA的HART正弦调制波信号电流不得超过4mA的回路电流，即变送器本身功耗电流必须小于35mA.这里可以简单估算一下这种变送器的最大功耗。首先，从控制室出来送往变送器的电压按24V（―般工业现场多为DC电的）计算，4~20mADC信号经过变送器后先送到配电器中经负载电阻（一般为250Q）转换成1~ 5V的直流电压信号，再送往控制室。这样，理论上变送器内部可以消耗的最大功率不应超过：在现场总线智能变送器的各个模块中，微控制器的功耗最大。于是，许多厂家纷纷开始生产低功耗，甚至是超低功耗的单片机。例如，Microchip公司的PIC系列，TI公司的MSP430系列，台湾义隆公司推出的八位EM78系列单片机，以及目前在手机、通讯行业比较流行的ARM系列单片机等。其中，具有超低功耗的MSP430系列单片机能够实现在1.8~36V电压、1MHz的时钟条件下运行，而耗电电流根据不同工作模式在01~400UA之间。但是，这些只是在测试条件下得到的数据，也即单片机只在CPU模式下进行最简单的指令运算测出的功耗电流。如果将单片机常用的外围模块，例如看门狗，定时器，I/O端口，硬件乘法器，串口等考虑在内的话，单片机的功耗将大大加。
除此之外，在变送器内部还有运算放大器，A/D、D/A，电压/电流转换器件，EPROM，HART通讯芯片，所有这些器件也会消耗不少的功率。
2低电压电源芯片性能比较1线性稳压器和开关式稳压器由上面的功耗分析可见，与纯模拟电路式仪表相比，采用了微处理器技术和HART总线技术的智能仪表其功耗明显多，而且内部器件都工作在低电压（5V或3V）模式，如何设计一种高效、稳定的电源电路将工业现场提供的24V常见电源变成低电压电源是当前讨论和研究的热点问题。目前市面上主要有两种低电压电源芯片：线性稳压器和开关式稳压器。
线性稳压器基本上不要外围元件，成本低，不易受电磁干扰，纹波电压小，但主要缺点是电源效许使用点对点和多点连接两种模式1.2功耗分析◎由于iHiRT总线的智能变送器电源线和她遽低“般小于尤其应用在低电。碰压中，效率更低。根据线性电源的工作原理，其输入电流接近于输出电流，可以用输出电压与输入电压之比估算它的效率。若以供电电压24V计，在输出目标电压为30V时，其供电效率：显然这种电源供电效率太低，根本无法满足变送器低功耗要求。（2）式表明，线性稳压器的工作效率与输出电压成正比，如果输出电压太低，则大大影响了电源供电效率。
随着科学技术的发展，线性电源有很大的进展，开发出低压差、微功耗的稳压器，即低差压线性稳压器。其输入电压与输出电压之差小到0 2V时也能正常工作，静态工作电流小于100UA，在关闭状态时仅耗电以A.与线性稳压器相比，开关式稳压器的供电效率较高（一般大于80%），输入电压范围较宽，输出功率大。但其主要缺点就是输出电压中所含纹波较大。原因是它内部有一个施密特触发器，一端输入接电压，一端输入接反馈电压，触发器的输出接到高频振荡器。开关电源工作时通过施密特触发器的滞环特性，使输出电压保持稳定。但正是由于触发器的滞环特性的影响，造成了开关电源输出纹波电压比线性电源大一些，用示波器观察显示为不太规则的锯齿波形。这对于那些对噪声电压（电流）比较敏感的智能变送器来说显然是不利的。
可见，这两种类型的电源各有特点，也都存在不足之处。传统的一级稳压的方法来设计HART总线智能变送器的电源，显然不能满足其低功耗、对纹波电压敏感的要求。实际上，设计时可以使用二级稳压的方法，将低压差线性稳压器和开关式稳压器配合使用。由于采用低压差线性稳压器时，输入输出电压差可减少到0 2V，可以将开关电源的输出低电压（如5V）再经过低压差线性稳压器的降噪处理，这样取长补短，既可以提高供电效率，又可满足纹波电压小的要求。
22电流型低压差线性稳压器需要注意的是，低压差线性稳压器要选择电流型的，而不能使用电压型。电压型低压差线性稳压器，其原理是通过调整自身的电压降来保证电压的输出稳定，流经稳压电路的电流随负载电流的变化型低差压线性稳压器是通过改变自身的电流消耗来使电压稳定的。系统消耗的电流是由电源决定的。对于低功耗的HART智能变送器来说，负载电流会随着单片机CPU的休眠、低速运转、高速运转不同工作模式，硬件乘法器、模数转换、定时器、串行通信等模块、I/O、外围器件的工作状态变化，导致仪表功耗在一定范围内波动。如果采用电压型稳压器，对于输出4~20mA电流变送器来说，自身功耗的不稳定将导致输出电流的波动，而采用电流型稳压器，则可以较好地解决这一问题。
3低功耗电源设计实例下面以一个具有HART总线功能的智能涡街流量计的电源部分设计电路为例子，说明现场总线智能变送器的电源部分具体电路实现。
1电源电路分析该智能流量计除了具有HART现场总线功能外，还考虑到某些情况下就地显示需要，加了液晶显示模块。由于液晶控制电路需要5V的驱动电压，其他功能芯片电路只需3V，电源电路需要实现两次电压转换，电路如所示。
从中可以看出，设计时使用了两个电源稳压元件。其中，开关式稳压器用的是AD公司的ADP3000，微功耗，输出电压可调/固定，内部振荡器的工作频率可以达到400kHz，这样的高频率使外部电感和电容的数量少了许多。而电流型低压差线性稳压器用的是TI公司的TL431，一种精密可调分流稳压器。输出电压可用两个外面电阻设置5V）和36V之间的任何值，器件的输出阻抗很小，一般只有02fi.显然，这是一种比较典型的二级稳压设计方法。24V直流电压先经过ADP3000得到一个5V低电压，然后再经过TL431降压变成3V.这样做，既可以保证输出的3V电压精确、纹波电压极小，也避免了电源功耗随输出电流波动的影响。因此具有比较好的设计效果。
2元件参数选择在整个电源电路设计中，ADP3000外围的限流电阻Ri、电感Li、滤波电容Ei和G可以技术手册来取值，这里不再赘述。下面主要分析一而变化94系统消耗的电流负载决定的。而1电流她下n电阻益巧以及如诚电源模块电路图和R3用来调节ADP3000输出电压的反馈值，反馈电压再与内部电压Uref比较，来保持输出电压稳定。于是，可由式（3）估算R2和R3关系式：1.245V.自动化与仪器仪表，2000，25周鹏，赵青。一种基于现场总线HART协议的涡街流量计的设计与研制中国仪器仪表，2002（增魏小龙。MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例。北京：北京航空航天大学出版社，2002. Phillips线性稳压器在便携产品中的应用。电子产品世界，2002，20（6）：方波。线性稳压电源与开关稳压电源无线电，1998，33（8）：41.本文介绍的二级稳压的电源设计方案，不仅效率比单独的低压差线性稳压器高许多，而且和开关电源相比，它的输出电压纹波很小，精度也很高，很适合要求低功耗、多功能、负载适应性强的HART总线智能变送器，并且该方法具有一定的通用性。
郝祖龙（1980―），男，硕士研宄生，研宄方向是检测技术与自动化装置；常太华（1951―），女，教授，主要从事传感器与先进检测技术等研宄。
