電潛泵測(cè)試儀的電流信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)*

葉 欣 李婷蘭 徐晶晶 劉軍寧

(1.光電油氣測(cè)井與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安石油大學(xué) 710065;2.大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司 大慶 163411)

0 引 言

工業(yè)上普遍需要測(cè)量各類非電物理量，如溫度、壓力和振動(dòng)等，將采集得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理。若需要將信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸至控制柜或者顯示設(shè)備，此時(shí)要把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)。電流信號(hào)由于其極強(qiáng)的抗干擾能力和低功耗，在工業(yè)測(cè)量和控制過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合電潛泵測(cè)試儀，提出基于TLV5637 的毫安級(jí)電流信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方法。TLV5637 是TI 公司的一款雙通道10 位電壓輸出D/A 轉(zhuǎn)換器件，具有操作簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)的電流信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，適用領(lǐng)域廣，有很好的通用性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于TLV5637 的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)發(fā)生器，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。本系統(tǒng)硬件部分主要由微控制器、D/A轉(zhuǎn)換芯片，以及電流環(huán)電路組成?？傮w框圖如圖1 所示。系統(tǒng)分為2 個(gè)模塊部分，包括MCU 與TLV5637 接口電路和模擬電流環(huán)電路。D/A 轉(zhuǎn)換芯片將原始數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)，電流環(huán)電路部分實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)電流信號(hào)功能。結(jié)合工程實(shí)際，本文采用AT89C51 控制I/O 口模擬SPI 總線通信控制TLV5637，系統(tǒng)軟件實(shí)行模塊化編寫，易于移植和調(diào)用。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 TLV5637 與單片機(jī)的SPI 接口設(shè)計(jì)

圖2 為系統(tǒng)DA 轉(zhuǎn)換模塊的硬件接口連接示意圖。結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際，為了隔離工頻干擾以及提高數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)采用TLP521 光電耦合器件將微控制器和D/A 轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行有效的電氣隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

圖2 TLV5637 和AT89C51 接口連接圖

圖中DIN、SCLK 和CS 等3 個(gè)信號(hào)線通過(guò)TLP521 分別與單片機(jī)的P1.5、P1.6、P1.7 相連，OUTA、OUTB 為模擬電壓輸出端。電阻R5 分壓為芯片提供參考電壓，參考電壓的大小決定滿量程模擬輸出電壓的大小。輸出電壓的幅度由下式?jīng)Q定:

CODE 為所寫入的電壓數(shù)據(jù)值，REF 為所設(shè)定的參考電壓。此外，在寫入電壓數(shù)據(jù)時(shí)，12 位的數(shù)據(jù)只保持高10位有效，低2 位被忽略。

TLV5637 只支持16 位的數(shù)據(jù)格式，16 位的數(shù)據(jù)包含兩個(gè)部分:編程位和數(shù)據(jù)位。高4 位分別為R1、SPD、PWR 和R0 編程控制位。SPD 為速度控制位，1 表示快速，0 表示慢速;PWR 為工作模式控制位，1 表示掉電模式，0 表示工作模式;R1 和R0 為寄存器選擇位，其寫入選擇表如表1所示［1］。

表1 TLV5637 的寄存器寫入選擇

10 位數(shù)據(jù)位確定一個(gè)新的DAC 值。12 位數(shù)據(jù)位中，D1 和D0 組合位決定芯片參考電壓的來(lái)源，其中“00”或“11”均表示參考電壓取自外部REF 引腳，“01”表示采用內(nèi)部參考電壓1.024 V，“10”表示采用內(nèi)部參考電壓2.048 V。圖3 為TLV5637 編程時(shí)序圖，數(shù)據(jù)采樣均在SCLK時(shí)鐘的下降沿發(fā)生。

圖3 TLV5637 編程時(shí)序圖

2.2 電流環(huán)電路設(shè)計(jì)

在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，電流信號(hào)通常是優(yōu)先考慮的信號(hào)傳輸方式。由于這種信號(hào)方式傳輸?shù)木嚯x長(zhǎng)，且不需考慮噪聲、線長(zhǎng)、壓降和線路阻抗等的影響，從而使電路傳輸性能大大提高。電流環(huán)電路原理圖如圖4所示。電路采用LM324 和LM358 級(jí)聯(lián)后接一個(gè)復(fù)合型PNP 管搭成。A1，A2 為L(zhǎng)M324 的兩個(gè)運(yùn)算放大器，A3 為L(zhǎng)M358 運(yùn)算放大器。LM324 是帶有差動(dòng)輸入的通用放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。差分輸入具有很強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力，可以有效克服溫度漂移問(wèn)題。LM358 內(nèi)部包含兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器。A1 運(yùn)算放大器的輸出端反饋到反相輸入端，構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器，實(shí)現(xiàn)阻抗變換。A2 的同相輸入端偏置為2.5 V，利用連個(gè)相等的電阻R3、R4 實(shí)現(xiàn)一個(gè)求差電路。電流環(huán)電路尾部由一個(gè)PNP 與NPN 型組成一個(gè)PNP 復(fù)合管，復(fù)合管的共射級(jí)電流放大倍數(shù)為兩個(gè)BJT 管子共射級(jí)電流放大倍數(shù)之積。復(fù)合管基極與運(yùn)算放大器A3 的輸出端相連，可輸出和輸入電壓成線性比例關(guān)系的電流信號(hào)，并具有相當(dāng)高的精確度。

圖4 電流環(huán)電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件主要是由C 語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，采用GPIO 口模擬SPI 通信的方式，實(shí)現(xiàn)微控制器對(duì)TLV5637 的訪問(wèn)。根據(jù)實(shí)際工程，主控器采用AT89C51 單片機(jī)，該芯片是一個(gè)帶有4 K 字節(jié)Flash 存儲(chǔ)器的低電壓、高性能的CMOS 微控制器。AT89C51 為很多微控制器提供了一種靈活而且廉價(jià)的方案。圖5 為單片機(jī)GPIO 口模擬SPI 通信向TLV5637 寫入一個(gè)16 位數(shù)據(jù)的程序流程圖。單片機(jī)首先拉低CS 引腳選定片選信號(hào)，置高SCLK 信號(hào)后向DIN 發(fā)送一位數(shù)據(jù)信號(hào)，再置低SCLK 信號(hào)，數(shù)據(jù)在SCLK 下降沿保持有效即可。按時(shí)間順序，依次由高到低串行輸入16 位數(shù)據(jù)。

圖5 寫入一個(gè)數(shù)據(jù)的程序流程圖

根據(jù)整形數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖，發(fā)送數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)代碼如下:

DA 轉(zhuǎn)換子程序代碼如下:

上述的發(fā)送數(shù)據(jù)代碼，只需稍加修改，可有效移植到51 單片機(jī)對(duì)各種SPI 串行通信器件控制或者其他微控制器對(duì)TLV5637 控制程序中。但是修改過(guò)程中需要注意不同器件的延時(shí)要求，保證器件的信號(hào)建立和保持的時(shí)間滿足時(shí)序要求。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述方法，本實(shí)驗(yàn)選用外部1.25 V 參考電壓，運(yùn)放LM324 和LM358，2SC2655 和2N5401 組成PNP 復(fù)合管來(lái)構(gòu)成電流信號(hào)發(fā)生器。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可以產(chǎn)生高線性度，長(zhǎng)期工作穩(wěn)定的毫安級(jí)電流信號(hào)，其精度在誤差范圍內(nèi)，符合潛油電泵測(cè)試儀對(duì)輸出電流信號(hào)的要求。實(shí)驗(yàn)的輸入數(shù)字信號(hào)和測(cè)得的輸出電流信號(hào)結(jié)果如表2 所示。

表2 基于TLV5637 的電流信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

本文提出了基于TLV5637 的電流信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，利用AT89C51 的GPIO 口模擬SPI 通信，實(shí)現(xiàn)串行對(duì)D/A 轉(zhuǎn)換芯片TLV5637 的控制訪問(wèn)。將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)后，電流環(huán)電路模塊將模擬電壓信號(hào)再轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。該方法具有一定的普遍意義，稍加改動(dòng)即可應(yīng)用于各類測(cè)試系統(tǒng)。其中微控制器模擬SPI 通信也有較高的通用性，可以移植到各類微控制器中。多次實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)可靠可行，并具有較高的精確度。

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