一種新型高精度快速直流變送器的設(shè)計(jì)

徐小方，薛林鋒，鐘沃照，孫新志

（中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州510860）

0 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。直流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(guò)程工藝的復(fù)雜化，變送器用量也越來(lái)越多，對(duì)變送器的要求也越來(lái)越高。針對(duì)傳統(tǒng)模擬式變送器存在精確度不夠高、響應(yīng)速度慢、漂移過(guò)大、測(cè)量范圍窄、維護(hù)和維修費(fèi)用大等一系列問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于SOC和同步采樣技術(shù)的高精度直流變送器。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(guò)線性光耦實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電間的線性隔離，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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

直流變送器板系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 直流變送器板系統(tǒng)框圖

直流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(guò)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。直流變送器通過(guò) 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)的直流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、0～1000 V、-250～+250 V、-500～+500 V、-1000～+1000 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(guò)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(wèn)題，本文所設(shè)計(jì)的直流變送器具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能。通過(guò)加入一定的模擬量輸入，實(shí)現(xiàn)一鍵校準(zhǔn)，校準(zhǔn)值寫(xiě)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)的直流變送器對(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(guò)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)的直流變送器由隔離模塊、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)5000 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(guò)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(guò)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。

圖2 同步測(cè)量回路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

主控芯片通過(guò)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)還具有先進(jìn)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(guò)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(guò)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)的直流變送器可對(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)57600 bit/s，停止位和校驗(yàn)位可根據(jù)需要進(jìn)行更改。

直流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）：

表1 命令格式

響應(yīng)格式如表2所示（以下數(shù)字均為16進(jìn)制）：

表2 響應(yīng)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。

圖3 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(guò)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(xiě)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(xiě)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)的直流變送器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，系統(tǒng)初始化之后首先從片內(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(guò)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)的變送器首先對(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(guò)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。

表3 小信號(hào)下的數(shù)據(jù)測(cè)量

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。

圖5 輸入輸出線性關(guān)系圖

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)量的最小值一般為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(guò)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(wèn)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）。

表4 輸入電壓與輸出電流的關(guān)系

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。

圖6 變送器輸入輸出線性關(guān)系圖

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)得電壓波形和直流變送器的輸出波形如圖7所示。其中整流橋陽(yáng)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。

圖7 發(fā)電機(jī)組空載時(shí)勵(lì)磁電壓及變送器輸出波形

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)模擬式直流變送器量程固定、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直流變送器。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)的直流變送器應(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。