摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)模擬式壓力變送器測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)量及變送功能。壓力變送器是一種能將被測(cè)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(cè)控的行業(yè)。
在自動(dòng)化測(cè)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(duì)變送器的要求也越來越高。針對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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。
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(duì)外變送模塊和 SOC 中央處理單元等組成。通過對(duì)外部輸入模擬量的同步采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)模擬量的實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)量，對(duì)鋸齒波等周期性信號(hào)的測(cè)量也特別適用。
（3）測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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(duì)外通信功能
本文所設(shè)計(jì)變送器具有對(duì)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(cè)量和控制系統(tǒng)中，被監(jiān)測(cè)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(cè)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(jiǎn)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(duì)外部輸入的直流信號(hào)，采用固定間隔對(duì)其進(jìn)行采樣。針對(duì)外部輸入鋸齒波等周期信號(hào)，通過對(duì)周期信號(hào)的頻率測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(duì)同步信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部輸入模擬量信號(hào)的同步采樣功能。
2.3 A/D 轉(zhuǎn)換模塊
主控芯片通過 A/D 轉(zhuǎn)換模塊對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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）：
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。
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(duì)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。
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?jī)煞N方式對(duì)外輸出。
4 功能測(cè)試
4.1 小輸入信號(hào)下變送器功能測(cè)試
針對(duì)小輸入電壓信號(hào)，本文所設(shè)計(jì)的變送器shou先對(duì)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(duì)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(duì)外部 0~75 mV 的弱電信號(hào)進(jìn)行變送輸出。為了便于測(cè)量，在變送器輸出端（4~20 mA）并入阻值為 249.017 Ω 的電阻，測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)試
針對(duì)電壓信號(hào)，常規(guī)變送器測(cè)量的#小值一般為 0 V。針對(duì)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(duì)負(fù)電壓信號(hào)進(jìn)行正確測(cè)量，本文所設(shè)計(jì)的變送器就能很好的解決負(fù)電壓測(cè)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(cè)試儀加入 -250~+250 V 的直流電壓信號(hào)時(shí)測(cè)得輸入電壓與輸出電流的對(duì)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(cè)量整流橋輸出電壓的真實(shí)值。對(duì)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(duì)整流橋輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)于 13.248 mA，和理論計(jì)算相符。
5 結(jié)語
針對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)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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