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一種新型高精度快速直流壓力變送器的設(shè)計(jì)
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一種新型高精度快速直流壓力變送器的設(shè)計(jì)

時(shí)間:2019-10-10
摘 要: 針對傳統(tǒng)模擬式壓力變送器測量范圍窄、響應(yīng)速度慢等現(xiàn)象,本文基于片上系統(tǒng)(SOC:System-on-achip)和同步采樣技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型高精度快速壓力變送器。介紹了該變送器的原理、功能及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。該變送器不僅具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能,還具有量程自由選擇、對外 485 通信等功能。試驗(yàn)表明,本文所設(shè)計(jì)的變送器精度高,測量范圍廣、響應(yīng)速度快,工作穩(wěn)定可靠,比普通變送器具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
 
引言
變送器作為工業(yè)自動(dòng)化測控領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)備,主要完成各種模擬量信號(hào)的測量及變送功能。壓力變送器是一種能將被測直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出直流電壓或直流電流信號(hào)的裝置,廣泛應(yīng)用于電力、遠(yuǎn)程監(jiān)控、儀器儀表等需要隔離測控的行業(yè)。
 
在自動(dòng)化測控領(lǐng)域,隨著高參數(shù)、大容量設(shè)備的增加及過程工藝的復(fù)雜化,變送器用量也越來越多,對變送器的要求也越來越高。針對傳統(tǒng)模擬式變送器存在精que度不夠高、響應(yīng)速度慢、漂移過大、測量范圍窄、維護(hù)和維修費(fèi)用大等一系列問題,本文設(shè)計(jì)了一種基于 SOC 和同步采樣技術(shù)的高精度壓力變送器。該變送器有 7 個(gè)預(yù)先設(shè)定的輸入量程可供直接選擇,也可根據(jù)用戶需求重新設(shè)定量程。
 
本文所設(shè)計(jì)的變送器,對外部輸入模擬量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后,通過線性光耦實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電間的線性隔離,通過 A/D 轉(zhuǎn)換芯片對隔離后的模擬量信號(hào)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集,SOC 通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,把運(yùn)算結(jié)果通過 D/A 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為 0~5 V 的電壓信號(hào)和 4~20 mA(0~20 mA)的電流信號(hào)快速輸出的同時(shí),也可通過 485 通信的方式把采集到的模擬量送至上位機(jī)。把本文設(shè)計(jì)的變送器應(yīng)用于試驗(yàn)同步發(fā)電機(jī)組中,具有較好的變送輸出功能。
 
1 系統(tǒng)組成及主要特點(diǎn)
1.1 系統(tǒng)組成
壓力變送器板系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。
直流變送器板系統(tǒng)框圖
壓力變送器板由隔離模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、同步調(diào)制模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、對外變送模塊和 SOC 中央處理單元等組成。通過對外部輸入模擬量的同步采樣,實(shí)現(xiàn)對模擬量的變送輸出功能。壓力變送器通過 0~5 V 直流模擬量、4~20 mA(0~20 mA)和 485通信 3 種方式實(shí)現(xiàn)對外輸出。
 
1.2 主要特點(diǎn)
(1)響應(yīng)速度快
傳統(tǒng)模擬式變送器的響應(yīng)時(shí)間一般為 300 ms左右,本文所設(shè)計(jì)的變送器,響應(yīng)速度低于 10 ms,便于上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對模擬量的實(shí)時(shí)測量和監(jiān)控。
(2)應(yīng)用范圍廣
由于采用同步采樣技術(shù),本文所設(shè)計(jì)的壓力變送器不僅適用于傳統(tǒng)直流電壓信號(hào)的測量,對鋸齒波等周期性信號(hào)的測量也特別適用。
(3)測量范圍廣
本文所設(shè)計(jì)的變送器有 7 個(gè)量程可供選擇,分 別 為 0~75 mV、0~250 V、0~500 V、0~1 000 V、-250~+250 V、-500~+500 V、-1 000~+1 000 V。針對不同的輸入電壓范圍,可選擇相應(yīng)量程,用戶也可根據(jù)需要重新設(shè)定量程,通過重新校準(zhǔn)即可正常使用。
(4)自動(dòng)校準(zhǔn)功能
針對電子元器件老化、零點(diǎn)漂移等問題,本文所設(shè)計(jì)的壓力變送器具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能。通過加入一定的模擬量輸入,實(shí)現(xiàn)一鍵校準(zhǔn),校準(zhǔn)值寫入片內(nèi)FLASH,在下次系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí),主控芯片從片內(nèi)FLASH 中讀取校準(zhǔn)值參與運(yùn)算。
(5)精度高
本文所設(shè)計(jì)的壓力變送器對隔離轉(zhuǎn)換后的模擬量采用 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,每個(gè)采樣周期采樣 512 個(gè)點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)高精度測量。同時(shí),所設(shè)計(jì)的變送器精度等級(jí)可達(dá) 0.2。
(6)對外通信功能
本文所設(shè)計(jì)變送器具有對外通信功能,采用485 通信接口,Modbus 通信協(xié)議,把所采集到的模擬量信息通過通信的方式送至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
 
2 硬件設(shè)計(jì)
基于片上系統(tǒng)的壓力變送器由隔離模塊、同步調(diào)制模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、485 通信模塊、中央處理單元模塊和電流變送模塊等組成。
 
2.1 隔離模塊
在工業(yè)測量和控制系統(tǒng)中,被監(jiān)測信號(hào)容易受到強(qiáng)電磁干擾和尖峰電壓的影響,為了避免內(nèi)部電路免受外部電路的影響,必須將測量系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離 [1]。本文設(shè)計(jì)的變送器采用HCRN201[2] 高線性度光電耦合器實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離。HCRN201 屬于低功耗模擬隔離芯片,隔離電壓達(dá) 5 000 V,同時(shí)該隔離芯片體積小,價(jià)格便宜,隔離電路簡單,可以完全消除前后級(jí)的相互干擾,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
 
2.2 同步調(diào)制模塊
針對外部輸入的直流信號(hào),采用固定間隔對其進(jìn)行采樣。針對外部輸入鋸齒波等周期信號(hào),通過對周期信號(hào)的頻率測量實(shí)現(xiàn)對輸入信號(hào)的同步采
樣。同步調(diào)制模塊的框圖如圖 2 所示。輸入信號(hào)一般為鋸齒波等周期信號(hào),濾波回路由電阻和電容組成,整型電路由比較器及其相關(guān)電路組成。通過對外部輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,輸出方波信號(hào)便于主控制器對同步信號(hào)進(jìn)行頻率測量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對外部輸入模擬量信號(hào)的同步采樣功能。
同步測量回路
2.3 A/D 轉(zhuǎn)換模塊
主控芯片通過 A/D 轉(zhuǎn)換模塊對隔離轉(zhuǎn)換后的模擬量進(jìn)行采樣。為了使變送器能夠?qū)ν獠枯斎氲呢?fù)值信號(hào)進(jìn)行采樣,本設(shè)計(jì)采用 Analog Device 公司的 AD7606 芯片進(jìn)行模擬量采集,芯片與主控制器采用 SPI 接口,輸入電壓范圍 -10~+10 V,具有采樣精度高、吞吐速率大的特點(diǎn)。
 
2.4 片上系統(tǒng) SOC
本 文 采 用 Microsemi 公 司 的 smartfusion2 系列 SOC 芯 片 M2 S010 作 為 主 控 芯 片,M2 S010 采用 Flash 技術(shù),在單一芯片上集成了 Fabric 和 ARM Cortex-M3 硬核處理器,同時(shí)還具有先金的安全處理加速器、DSP 模塊、SRAM、eNVM 和業(yè)界所需的高性能通信接口,簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)。Fabric部分主要實(shí)現(xiàn)變送器量程選擇、A/D 轉(zhuǎn)換、同步采樣算法和 D/A 轉(zhuǎn)換功能。Cortex-M3 硬核處理器主要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)、對外 485 通信等功能。
 
2.5 D/A 轉(zhuǎn)換及電流變送模塊
在片上系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)通過 D/A 轉(zhuǎn)換模塊輸出 0~5 V 的電壓信號(hào)。同時(shí),經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號(hào)還可以根據(jù)需要通過電流變送模塊轉(zhuǎn)換為4~20 mA(0~20 mA)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。
 
2.6 通信模塊
本文所設(shè)計(jì)的壓力變送器可對外支持 RS485接口規(guī)范,采用 Modbus 通信規(guī)約,支持 RTU 通信模式,8 位數(shù)據(jù)位,波特率可達(dá) 57 600 bit/s,停止位和校驗(yàn)位可根據(jù)需要進(jìn)行更改。壓力變送器板的命令格式如表 1 所示(以下數(shù)字均為 16 進(jìn)制):
命令格式
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 SOC 軟件設(shè)計(jì)
SOC 芯片 M2 S010 在單一芯片上集成了 Fabric和 ARM Cortex-M3 硬核處理器,框圖如圖 3 所示。
 SOC 結(jié)構(gòu)框圖
從圖中可以看出,F(xiàn)abric 部分主要完成 A/D、D/A 邏 輯 控 制 部 分 軟 件 的 實(shí) 現(xiàn),F(xiàn)abric 部 分 和Cortex-M3 之間通過片內(nèi) APB3 總路線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,Cortex-M3 完成片內(nèi) FLASH 的讀寫和對外 485通信的軟件功能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)處于校準(zhǔn)模式時(shí),Cortex-M3 根據(jù) A/D 采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn),并把校準(zhǔn)參數(shù)寫入片內(nèi) FLASH,當(dāng)系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí),從片內(nèi) FLASH 讀取校準(zhǔn)值參與運(yùn)算功能。
 
3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的壓力變送器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。
 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖
如 圖 4 所 示,系 統(tǒng) 初 始 化 之 后 shou 先 從 片 內(nèi)FLASH 讀取校準(zhǔn)值,然后與當(dāng)前模擬量采樣值進(jìn)行運(yùn)算處理。運(yùn)算后的數(shù)值通過通信和模擬量兩種方式對外輸出。
 
4 功能測試
4.1 小輸入信號(hào)下變送器功能測試
針對小輸入電壓信號(hào),本文所設(shè)計(jì)的變送器shou先對其進(jìn)行運(yùn)算放大,之后再進(jìn)行隔離輸出。片上系統(tǒng)通過對隔離后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算,把運(yùn)算結(jié)果以模擬量和通信的方式輸出。本文所設(shè)計(jì)的變送器可對外部 0~75 mV 的弱電信號(hào)進(jìn)行變送輸出。為了便于測量,在變送器輸出端(4~20 mA)并入阻值為 249.017 Ω 的電阻,測得數(shù)據(jù)如表 3 所示。
 
從表 3 中可以看出,當(dāng)輸入信號(hào)為 0~75 mV 的弱電信號(hào)時(shí)輸出對應(yīng) 4~20 mA,輸出精度達(dá) 0.2 %。當(dāng)輸入信號(hào)為 0~75 mV 時(shí),0~5 V 輸出端與輸入的對應(yīng)關(guān)系如圖 5 所示。輸入與輸出間具有很好的線性度。
 
4.2 具有負(fù)量程輸入信號(hào)功能測試
針對電壓信號(hào),常規(guī)變送器測量的#小值一般為 0 V。針對特殊行業(yè),例如電站勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電壓信號(hào)量,由于勵(lì)磁系統(tǒng)在逆變過程中勵(lì)磁電壓為負(fù)值,常規(guī)電壓變送器不能對負(fù)電壓信號(hào)進(jìn)行正確測量,本文所設(shè)計(jì)的變送器就能很好的解決負(fù)電壓測量的問題。當(dāng)設(shè)定外部模擬量輸入量程為 -250~+250 V 時(shí),用繼電保護(hù)測試儀加入 -250~+250 V 的直流電壓信號(hào)時(shí)測得輸入電壓與輸出電流的對應(yīng)關(guān)系如表 4 所示(理論要求當(dāng)電壓輸入為 -250 V 時(shí),電流輸出 4 mA,當(dāng)電壓輸入為0 V 時(shí),電流輸出 12 mA 當(dāng)電壓輸入為 250 V 時(shí),電流輸出 20 mA)。
 
從 表 4 中 可 以 看 出,當(dāng) 變 送 器 量 程 選 擇為 -250~+250 V 時(shí),變送器的輸出精度達(dá)到 0.2 %。圖 6 為變送器輸入與輸出間的線性關(guān)系圖。當(dāng)變送器輸入 -250~+250 V 時(shí),變送器輸出 0~5 V,從圖 6 中可以看出,當(dāng)輸入電壓為 0 V 時(shí),變送器輸出為 2.5 V,輸入與輸出具有很好的線性度。
 
4.3 實(shí)際應(yīng)用
水(火)電站同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)功率單元一般采用三相橋式全控整流電路 [3],由于同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電感特性,勵(lì)磁系統(tǒng)整流橋輸出可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓,采用常規(guī)電壓變送器不能準(zhǔn)確測量整流橋輸出電壓的真實(shí)值。對于試驗(yàn)用同步發(fā)電機(jī)組,當(dāng)機(jī)組處于空載狀態(tài)時(shí)采用本文所設(shè)計(jì)的 -250~+250 V量程的變送器對整流橋輸出電壓進(jìn)行測量,測得電壓波形和壓力變送器的輸出波形如圖 7 所示。其中整流橋陽極電壓為 85 V,直流輸出電壓 39.36 V,可控硅觸發(fā)角 68.16°。為了便于測量,在電壓變送器的輸出端并聯(lián) 249.017 Ω 的電阻,電阻上的直流電壓為 3.299 V,對應(yīng)于 13.248 mA,和理論計(jì)算相符。
 
5 結(jié)語
針對傳統(tǒng)模擬式壓力變送器量程固定、響應(yīng)速度慢等現(xiàn)象,本文基于片上系統(tǒng)和同步采樣技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型高精度快速壓力變送器。對變送器的原理、特點(diǎn)及軟硬件實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了介紹。該變送器不僅具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能,還具有量程選擇、對外 485 通迅等功能。把本文設(shè)計(jì)的壓力變送器應(yīng)用于試驗(yàn)同步發(fā)電機(jī)組中,取得較好的變送輸出功能。結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的變送器精度高,測量范圍廣、響應(yīng)速度快,工作穩(wěn)定可靠,比普通變送器具有更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
 
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