基于微控制器的隔離變送器的設(shè)計(jì)

張波，丁金華，孫秋花，李明穎，張磊

（大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引言

變送器是工業(yè)過程重要的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備之一，主要完成物理信號的測量和變換處理。隨著多參數(shù)、大容量設(shè)備的增加和過程工藝的復(fù)雜，對自動(dòng)化的依賴性越來越大，變送器用量不斷增多，要求不斷提高。采用隔離變送器，可接收來自現(xiàn)場的標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)模擬信號輸入，以標(biāo)準(zhǔn)信號形式輸出到控制室或DCS、PLC，實(shí)現(xiàn)電源、輸入和輸出相互隔離。應(yīng)用于對現(xiàn)場儀表的各種信號進(jìn)行調(diào)理，通過隔離，并轉(zhuǎn)換成工業(yè)計(jì)算機(jī)、DCS、PLC等能接收的標(biāo)準(zhǔn)信號或用戶指定的特殊信號，在工業(yè)測量系統(tǒng)、醫(yī)療電子設(shè)備、電力設(shè)備等方面被廣泛應(yīng)用［1］。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

以嵌入式混合信號微處理器C8051F350為核心，由外部電源提供穩(wěn)定的直流24V電壓，通過34063集成電路為CPU提供穩(wěn)定的3.3V工作電壓。輸出采用隔離電源模塊，為MORNSUN公司生產(chǎn)的定壓隔離穩(wěn)壓單輸出1W隔離電源IB2424LD。采用單路輸入，單路輸出。為了方便記錄和調(diào)試系統(tǒng)輸出的線性4～20mA電流信號，還設(shè)計(jì)了4位按鍵電路，功能分別為顯示狀態(tài)STATE鍵，調(diào)節(jié)大小SHIFT鍵，存儲數(shù)據(jù)STORE鍵。為了節(jié)約成本，本系統(tǒng)用4位數(shù)碼管顯示，顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽LED數(shù)碼管來顯示輸出，采用單片機(jī)動(dòng)態(tài)掃描顯示［2］。其整體電路框圖如圖1示。

圖1 整體硬件框圖Fig.1 The overall hardware block diagram

1.1 光電隔離及V／I變換電路

采用高精度24位A／D對輸入DC 4～20mA進(jìn)行信號采樣，將被測信號送往微處理控制器進(jìn)行運(yùn)算，由單片機(jī)根據(jù)外部傳感器探頭給出的電流信號進(jìn)行處理，發(fā)出連續(xù)高頻脈沖［4］。如圖2所示，P1.0口輸出PWMC經(jīng)高速光耦合器6N137進(jìn)行隔離，這樣可以提高抗干擾能力。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有1個(gè)850nm波長AlGaAs LED和1個(gè)集成檢測器組成，其檢測器由1個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及1個(gè)肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成，具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL／TTL兼容，5mA的極小輸入電流。脈沖信號經(jīng)過光電隔離后，多通道模擬開關(guān)CD4011進(jìn)行傳送并整形。CD4011由電平轉(zhuǎn)換電路、譯碼電路和開關(guān)電路三部分組成，其供電電壓為5V，通過TL431為其供電。TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源，它的輸出電壓可以設(shè)置2.5～36V的任何值。進(jìn)入由LM258連接成的射隨電路，這種放大器的放大倍數(shù)接近于1，也就是說該放大器的輸出跟輸入信號相同，即輸出信號隨輸入信號的變化發(fā)生相同的變化，可以保證輸出端的電壓和輸入端相同，也可以更好地帶動(dòng)后面電路的負(fù)載運(yùn)行。經(jīng)V／I轉(zhuǎn)換電路（運(yùn)放B和PQ1，PQ2）變換為4～20mA電流信號輸出。通過實(shí)際的運(yùn)算與調(diào)試，確定了電路中各個(gè)元器件的參數(shù)。

1.2 控制器供電單元

如圖3所示為CPU供電電路原理圖，端子JA的1、2口為4～20mA輸出端；3、4口為外接電源接入端。電源接反是設(shè)備安裝接線時(shí)最容易發(fā)生的錯(cuò)誤，輸入口串1只二極管即可防止接反電源時(shí)損壞電路，如圖3所示D1。集成電路34063為CPU提供穩(wěn)定的3.3V工作電壓，它是一單片雙極型線性集成電路，專用于直流-直流變換器控制部分。片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)，能輸出1.5A的開關(guān)電流。參考電壓源是溫度補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源，振蕩器的振蕩頻率由三腳的外接定時(shí)電容C3決定。

1.3 顯示按鍵單元

按鍵電路如圖4所示，采用全數(shù)度化校準(zhǔn)，通過STATE狀態(tài)、SHIFT▲+、SHIFT▼-、STORE存儲4個(gè)按鍵進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在給CPU加電之前，同時(shí)按下SHIFT▲+、SHIFT▼-可以給復(fù)位端（RESET）1個(gè)復(fù)位脈沖，使CPU內(nèi)部程序處于初始狀態(tài)，并對CPU內(nèi)部的寄存器清零。按鍵比電位器更準(zhǔn)確、快捷。

圖2 光電隔離及V／I變換電路Fig.2 Optical isolation and V／I conversion circuit

圖3 CPU供電電路Fig.3 CPU power supply circuit

1.4 LED顯示電路

采用四位共陽極LED數(shù)碼管顯示，既節(jié)約了成本，也簡化了電路。采用74HC595D驅(qū)動(dòng)，與CPU接口簡單，采用串行方式，顯示系統(tǒng)輸出的4～20mA。

2 軟件編程

本系統(tǒng)軟件部分采用C語言編程，模塊化程序設(shè)計(jì)方法，主要有數(shù)據(jù)采集處理模塊、信號輸出模塊、鍵盤掃描模塊、采樣定時(shí)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊等。

2.1 監(jiān)控程序模塊

程序是控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定操作方式運(yùn)轉(zhuǎn)的程序，是單片機(jī)系統(tǒng)程序的框架，其主要任務(wù)完成系統(tǒng)自檢、初始化、處理鍵盤命令、處理接口命令、處理?xiàng)l件觸發(fā)并完成顯示功能。在設(shè)計(jì)監(jiān)控程序時(shí)，在定時(shí)采集數(shù)據(jù)、鍵盤掃描、數(shù)據(jù)顯示等功能中，定時(shí)采集數(shù)據(jù)優(yōu)先級別應(yīng)最高，優(yōu)先級別最低為數(shù)據(jù)顯示，各作業(yè)之間具有明顯優(yōu)先級的差別，所以監(jiān)控程序采用作業(yè)優(yōu)先調(diào)度型，優(yōu)先級高者先運(yùn)行。

圖4 按鍵電路Fig.4 The key circuit

圖5 LED數(shù)碼管顯示電路Fig.5 LED digital display circuit

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

該部分模塊主要包括A／D轉(zhuǎn)換子程序、去脈沖干擾平均值濾波子程序、標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序等。為更好地消除脈沖干擾的影響，系統(tǒng)采用去極值平均濾波，連續(xù)采樣8次，將其累加求和同時(shí)找出其中的最大值和最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，按5個(gè)采樣值求平均值，即得有效采樣值。

2.3 采樣定時(shí)模塊

采樣定時(shí)利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0完成。T0基準(zhǔn)定時(shí)時(shí)間為50ms。采樣時(shí)間判斷分兩部分完成，一是在T0中斷服務(wù)程序中產(chǎn)生一個(gè)1s的時(shí)基信號；二是在主程序中調(diào)采樣時(shí)間判斷子程序，判斷是否到某通道采集時(shí)間。程序流程如圖6所示。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用了嵌入式混合信號微處理器C8051F350，使設(shè)計(jì)電路大大簡化，從而降低了成本，減小了體積，提高了變送器運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，誤差精度＜0.2%，線性度＜0.1%。目前該變送器已應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，實(shí)際運(yùn)行中取得了很好的效果。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow chart