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一种新型高精度快速直流压力变送器的设计

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摘 要: 针对传统模拟式压力变送器测量范围窄、响应速度慢等现象,本文基于片上系统(SOC:System-on-achip)和同步采样技术设计了一种新型高精度快速压力变送器。介绍了该变送器的原理、功能及软硬件实现方法。该变送器不仅具有自动校准功能,还具有量程自由选择、对外 485 通信等功能。试验表明,本文所设计的变送器精度高,测量范围广、响应速度快,工作稳定可靠,比普通变送器具有更广阔的应用领域。
 
引言
变送器作为工业自动化测控领域的基础设备,主要完成各种模拟量信号的测量及变送功能。压力变送器是一种能将被测直流信号转换成按线性比例输出直流电压或直流电流信号的装置,广泛应用于电力、远程监控、仪器仪表等需要隔离测控的行业。
 
在自动化测控领域,随着高参数、大容量设备的增加及过程工艺的复杂化,变送器用量也越来越多,对变送器的要求也越来越高。针对传统模拟式变送器存在精确度不够高、响应速度慢、漂移过大、测量范围窄、维护和维修费用大等一系列问题,本文设计了一种基于 SOC 和同步采样技术的高精度压力变送器。该变送器有 7 个预先设定的输入量程可供直接选择,也可根据用户需求重新设定量程。
 
本文所设计的变送器,对外部输入模拟量信号进行调制后,通过线性光耦实现强弱电间的线性隔离,通过 A/D 转换芯片对隔离后的模拟量信号进行高速数据采集,SOC 通过对采集到的数据进行运算,把运算结果通过 D/A 转换芯片转换为 0~5 V 的电压信号和 4~20 mA(0~20 mA)的电流信号快速输出的同时,也可通过 485 通信的方式把采集到的模拟量送至上位机。把本文设计的变送器应用于试验同步发电机组中,具有较好的变送输出功能。
 
1 系统组成及主要特点
1.1 系统组成
压力变送器板系统框图如图 1 所示。
直流变送器板系统框图
压力变送器板由隔离模块、A/D 转换模块、同步调制模块、D/A 转换模块、对外变送模块和 SOC 中央处理单元等组成。通过对外部输入模拟量的同步采样,实现对模拟量的变送输出功能。压力变送器通过 0~5 V 直流模拟量、4~20 mA(0~20 mA)和 485通信 3 种方式实现对外输出。
 
1.2 主要特点
(1)响应速度快
传统模拟式变送器的响应时间一般为 300 ms左右,本文所设计的变送器,响应速度低于 10 ms,便于上位机监控系统对模拟量的实时测量和监控。
(2)应用范围广
由于采用同步采样技术,本文所设计的压力变送器不仅适用于传统直流电压信号的测量,对锯齿波等周期性信号的测量也特别适用。
(3)测量范围广
本文所设计的变送器有 7 个量程可供选择,分 别 为 0~75 mV、0~250 V、0~500 V、0~1 000 V、-250~+250 V、-500~+500 V、-1 000~+1 000 V。针对不同的输入电压范围,可选择相应量程,用户也可根据需要重新设定量程,通过重新校准即可正常使用。
(4)自动校准功能
针对电子元器件老化、零点漂移等问题,本文所设计的压力变送器具有自动校准功能。通过加入一定的模拟量输入,实现一键校准,校准值写入片内FLASH,在下次系统重新启动时,主控芯片从片内FLASH 中读取校准值参与运算。
(5)精度高
本文所设计的压力变送器对隔离转换后的模拟量采用 16 位 A/D 转换芯片进行数据采集,每个采样周期采样 512 个点,从而实现高精度测量。同时,所设计的变送器精度等级可达 0.2。
(6)对外通信功能
本文所设计变送器具有对外通信功能,采用485 通信接口,Modbus 通信协议,把所采集到的模拟量信息通过通信的方式送至上位机监控系统。
 
2 硬件设计
基于片上系统的压力变送器由隔离模块、同步调制模块、A/D 转换模块、D/A 转换模块、485 通信模块、中央处理单元模块和电流变送模块等组成。
 
2.1 隔离模块
在工业测量和控制系统中,被监测信号容易受到强电磁干扰和尖峰电压的影响,为了避免内部电路免受外部电路的影响,必须将测量系统和计算机系统进行电气隔离 [1]。本文设计的变送器采用HCRN201[2] 高线性度光电耦合器实现模拟信号的隔离。HCRN201 属于低功耗模拟隔离芯片,隔离电压达 5 000 V,同时该隔离芯片体积小,价格便宜,隔离电路简单,可以完全消除前后级的相互干扰,具有较强的抗干扰能力。
 
2.2 同步调制模块
针对外部输入的直流信号,采用固定间隔对其进行采样。针对外部输入锯齿波等周期信号,通过对周期信号的频率测量实现对输入信号的同步采
样。同步调制模块的框图如图 2 所示。输入信号一般为锯齿波等周期信号,滤波回路由电阻和电容组成,整型电路由比较器及其相关电路组成。通过对外部输入信号进行调制,输出方波信号便于主控制器对同步信号进行频率测量,进而实现对外部输入模拟量信号的同步采样功能。
同步测量回路
2.3 A/D 转换模块
主控芯片通过 A/D 转换模块对隔离转换后的模拟量进行采样。为了使变送器能够对外部输入的负值信号进行采样,本设计采用 Analog Device 公司的 AD7606 芯片进行模拟量采集,芯片与主控制器采用 SPI 接口,输入电压范围 -10~+10 V,具有采样精度高、吞吐速率大的特点。
 
2.4 片上系统 SOC
本 文 采 用 Microsemi 公 司 的 smartfusion2 系列 SOC 芯 片 M2 S010 作 为 主 控 芯 片,M2 S010 采用 Flash 技术,在单一芯片上集成了 Fabric 和 ARM Cortex-M3 硬核处理器,同时还具有先进的安全处理加速器、DSP 模块、SRAM、eNVM 和业界所需的高性能通信接口,简化了硬件电路的设计。Fabric部分主要实现变送器量程选择、A/D 转换、同步采样算法和 D/A 转换功能。Cortex-M3 硬核处理器主要实现自动校准、对外 485 通信等功能。
 
2.5 D/A 转换及电流变送模块
在片上系统处理后的数据通过 D/A 转换模块输出 0~5 V 的电压信号。同时,经 D/A 转换输出的电压信号还可以根据需要通过电流变送模块转换为4~20 mA(0~20 mA)的标准信号输出。
 
2.6 通信模块
本文所设计的压力变送器可对外支持 RS485接口规范,采用 Modbus 通信规约,支持 RTU 通信模式,8 位数据位,波特率可达 57 600 bit/s,停止位和校验位可根据需要进行更改。压力变送器板的命令格式如表 1 所示(以下数字均为 16 进制):
命令格式
3 软件设计
3.1 SOC 软件设计
SOC 芯片 M2 S010 在单一芯片上集成了 Fabric和 ARM Cortex-M3 硬核处理器,框图如图 3 所示。
 SOC 结构框图
从图中可以看出,Fabric 部分主要完成 A/D、D/A 逻 辑 控 制 部 分 软 件 的 实 现,Fabric 部 分 和Cortex-M3 之间通过片内 APB3 总路线进行数据交互,Cortex-M3 完成片内 FLASH 的读写和对外 485通信的软件功能实现。当系统处于校准模式时,Cortex-M3 根据 A/D 采样数据进行自动校准,并把校准参数写入片内 FLASH,当系统重新启动时,从片内 FLASH 读取校准值参与运算功能。
 
3.2 系统软件设计
本文所设计的压力变送器系统软件结构图如图4 所示。
 系统软件结构图
如 图 4 所 示,系 统 初 始 化 之 后 首 先 从 片 内FLASH 读取校准值,然后与当前模拟量采样值进行运算处理。运算后的数值通过通信和模拟量两种方式对外输出。
 
4 功能测试
4.1 小输入信号下变送器功能测试
针对小输入电压信号,本文所设计的变送器首先对其进行运算放大,之后再进行隔离输出。片上系统通过对隔离后的信号进行数据采集及运算,把运算结果以模拟量和通信的方式输出。本文所设计的变送器可对外部 0~75 mV 的弱电信号进行变送输出。为了便于测量,在变送器输出端(4~20 mA)并入阻值为 249.017 Ω 的电阻,测得数据如表 3 所示。
 
从表 3 中可以看出,当输入信号为 0~75 mV 的弱电信号时输出对应 4~20 mA,输出精度达 0.2 %。当输入信号为 0~75 mV 时,0~5 V 输出端与输入的对应关系如图 5 所示。输入与输出间具有很好的线性度。
 
4.2 具有负量程输入信号功能测试
针对电压信号,常规变送器测量的非常小值一般为 0 V。针对特殊行业,例如电站励磁系统的励磁电压信号量,由于励磁系统在逆变过程中励磁电压为负值,常规电压变送器不能对负电压信号进行正确测量,本文所设计的变送器就能很好的解决负电压测量的问题。当设定外部模拟量输入量程为 -250~+250 V 时,用继电保护测试仪加入 -250~+250 V 的直流电压信号时测得输入电压与输出电流的对应关系如表 4 所示(理论要求当电压输入为 -250 V 时,电流输出 4 mA,当电压输入为0 V 时,电流输出 12 mA 当电压输入为 250 V 时,电流输出 20 mA)。
 
从 表 4 中 可 以 看 出,当 变 送 器 量 程 选 择为 -250~+250 V 时,变送器的输出精度达到 0.2 %。图 6 为变送器输入与输出间的线性关系图。当变送器输入 -250~+250 V 时,变送器输出 0~5 V,从图 6 中可以看出,当输入电压为 0 V 时,变送器输出为 2.5 V,输入与输出具有很好的线性度。
 
4.3 实际应用
水(火)电站同步发电机励磁系统功率单元一般采用三相桥式全控整流电路 [3],由于同步发电机转子的电感特性,励磁系统整流桥输出可能会出现负电压,采用常规电压变送器不能准确测量整流桥输出电压的真实值。对于试验用同步发电机组,当机组处于空载状态时采用本文所设计的 -250~+250 V量程的变送器对整流桥输出电压进行测量,测得电压波形和压力变送器的输出波形如图 7 所示。其中整流桥阳极电压为 85 V,直流输出电压 39.36 V,可控硅触发角 68.16°。为了便于测量,在电压变送器的输出端并联 249.017 Ω 的电阻,电阻上的直流电压为 3.299 V,对应于 13.248 mA,和理论计算相符。
 
5 结语
针对传统模拟式压力变送器量程固定、响应速度慢等现象,本文基于片上系统和同步采样技术设计了一种新型高精度快速压力变送器。对变送器的原理、特点及软硬件实现方法进行了介绍。该变送器不仅具有自动校准功能,还具有量程选择、对外 485 通迅等功能。把本文设计的压力变送器应用于试验同步发电机组中,取得较好的变送输出功能。结果表明,本文所设计的变送器精度高,测量范围广、响应速度快,工作稳定可靠,比普通变送器具有更广阔的应用领域。
 

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