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基于ARM及温度补偿的智能变送器设计

传感器是组建自动检测与控制系统的重要环节。随着自动检测与控制技术的不断发展,对传感器的测量精度、传感器信号传输距离、传感器输出信号的多元化等提出了更高的要求。针对传统的模拟变送器的缺点,设计了一种基于精密模拟微控制器ADUC7061及具有温度补偿的智能变送器。该智能变送器具有温度补偿、软件校准、模拟变送信号和数字信号双重输出、数字信号及模拟变送信号可在线重新配置等功能。该变送器具有智能化、结构紧凑、适用范围广、工作可靠、数字信号传输距离远、精度高、较宽电压电源输入范围等优点。

1 智能变送器的硬件设计

智能变送器由传感器信号调理、电源电压输入调节电路、主控制电路、电流变送信号电路、RS485通信电路等模块组成。其中的信号调理模块对传感器的毫伏级输入信号进行滤波;主控制电路采用精密微控制器ADUC7061对滤波后的传感器信号直接进行放大、A/D转换等处理并对外围器件进行控制;电源电压输入调节电路对12~36 V输入的直流电源进行调节;电流变送信号电路受控于主控制电路,通过在线配置可产生4~20 mA、0~20 mA、0~24 mA等变送信号;RS485通信电路用于数字信号的传输和实现智能变送器与上位机之间的数据交互。智能变送器的硬件电路框图如图1所示。

1.1 信号调理电路设计

传感器输出信号一般为毫伏级,传统的信号调理电路一般要用精密线性放大器对之进行放大后再进行A/D转换。由于精密微控制器ADUC7061内部集成了精密的1~512倍程控增益放大器(PGA)和可编程的数字滤波器,所以该信号调理电路只需设计简单的低通滤波和EMI抑制,大大简化了电路结构。电路图如图2所示。传感器信号一般为差分毫伏级信号,图中的Bead1、Bead2为贴片磁珠,可作为简单有效的EMI滤波器,R1、R5、C2、C3、C4构成简单的低通滤波,传感器信号SIG+和SIG-经滤波后输入ADUC7061的差分模拟信号输入通道。

1.2 电源调节电路设计

传统的变送器输入电源调节采用三端稳压器件,如78系列,效率低,三端稳压器件的输入输出电压差不能太大。该智能变送器可以接受12~36 V直流电源电压输入,电源调节电路如图3所示。电源主调节芯片采用德州仪器公司的TPS5430。TPS5430是一款低静态电流、高效率、高峰值输出电流(3 A)的集成开关型降压稳压器,使用时无需增加额外的散热装置。12~36 V的直流电源电压输入首先经TPS5430获得3.3 V的电源供给智能变送器中要求3.3 V供电的芯片,3.3 V的电压通过R15和R17匹配获得,然后再通过LDO芯片HT7325获得2.5 V的电源供ADUC7061和传感器(在实际调试时,采用3.3 V给传感器供电同样可以得到较好的效果)。如果供电电源电压更宽,则可以采用TPS54160来代替TPS5430。

1.3 主控制电路设计

智能变送器主控制器采用16/32位微控制器ADUC7061,ADUC7061是美国ADI公司推出的基于ARM7TDMI内核的低成本、精密模拟微控制器,片内资源十分丰富,具有很高的性价比。片内集成了双Σ-Δ型24位ADC、单端和差分模拟信号输入通道、1~512倍的内部高精度可编程增益放大器(PGA)、片内精准时钟、精密1.2 V电压参考源、16位/32位RISC架构ARM7TDMI内核、SPI、UART、32 KB可在线编程Flash存储器、4 KB的SRAM等片内外设,使之成为理想的单芯片高精度数据采集方案。所有的数字I/O口都兼容3.3 V电平,采用32脚的LFCSP封装,体积小,代码下载和调试可通过JTAG 端口实现。智能变送器的主控制电路如图4所示。图中的ADUC7061的数字电源和模拟电源用0 Ω电阻隔离,电压均为2.5 V。实际使用时采用内部电压基准和内部精准时钟,利用内部可在线编程的Flash空余扇区保存系统参数,JTAG接口采用自定义的6芯接口实现在线调试和程序下载。DS18B20为数字温度传感器,用于测量传感器的环境温度,为传感器的温度补偿提供环境温度参数。

1.4 智能变送器信号输出电路

智能变送器能输出两种信号:模拟电流变送信号和数字信号。模拟信号采用内置16位 DAC的V/I转换芯片AD5420产生。数字信号通过RS485实现远传,RS485通信芯片采用半双工的MAX3485。智能变送器信号输出电路如图5所示。

AD5420是ADI公司推出的采用SPI接口输入、内置16位DAC的高精度低成本4~20 mA输出的V/I转换芯片,电流输出可配置为0~20 mA、4~20 mA、0~24 mA中的一种,总体误差为0.01/FSR,具有能调节40 V输入电压的功能。图中的R18为电流设置电阻,采用低温漂金属膜电阻。R13为限流电阻,防止外接负载很小时对AD5420的损害。

2 智能变送器的软件设计

智能变送器的软件设计部分主要包括ADUC7061的启动代码和初始化、A/D转换结果的相关滤波、数据转换等数据处理、零点校准和满度校准、模拟电流变送信号输出控制程序、温度补偿单元和串行RS485通信程序等。由于基于ARM7TDMI内核的AUDU7060内部集成了高精度的24 bit Σ-Δ型ADC和其他的模拟外设,同时支持零点校准、满度校准等系统校准功能,所以A/D校准和转换值的获取可以很方便实现;模拟电流变送信号输出由ADUC7061控制AD5420产生,线性受控于输出的数字信号。

2.1 温度补偿单元

传感器的输入输出关系随着环境温度的变化而变化。设传感器的被测量为x,输出量为y,t为环境温度。考虑环境温度因素,传感器静态特性为:y=f(x,t),常表现为随温度变化的非线性特性,这与传感器的理想输入输出关系y=kx相比,存在着线性误差和温度误差。将y=f(x,t)按级数展开得:

由此可见,温度变化必然带来传感器的零点漂移和温度误差,为提高测量精度,需要对传感器的温度误差进行补偿。

目前对传感器的误差软件补偿的方法很多,大体上分为两大类:线性插值拟合和非线性插值拟合。线性插值和拟合方法简单易操作,但实际补偿精度不够理想,本智能变送器对传感器的误差补偿采用三次样条曲线插值补偿,实际应用表明可以很好地补偿传感器的非线性误差及温度误差。

式(3)中的C(i)为传感器加载后经A/D转换值,根据每个温度区间内x在具体的坐标区间计算出修正值Si(x),当使用软件补偿单元时,该修正值即为智能变送器数字信号输出值。

2.2 RS485通信程序

通信程序采用半双工的RS485通信模式,通信协议自定义,实现与上位机的数据交互。智能变送器可以接受上位机发出的命令实现智能变送器的系统参数修改、零点校准和满度校准、输出模拟信号类型、传感器补偿单元的使用与否等设置。RS485通信接口将智能变送器对传感器的信号转换结果上传给上位机。

2.3 智能变送器程序流程图

具体的智能变送器主控程序流程图如图7所示。

智能变送器的串口接收采用中断接收模式,可以实时响应上位机发出的命令。

3 试验结果分析

对智能压力变送器实验时选用了一款系统综合精度为0.3/FSR、量程为100 kg的力敏传感器,实验标定设备系统精度为0.03%,实验测得的数据见表1和表2。表中列出了温度补偿前后的正行程数字信号输出数据,因模拟电流变送信号受控于数字输出信号,表中未列出电流变送信号。

补偿前后变送器数字输出信号在-20℃~70℃范围内的测试曲线如图8和图9所示。

由图8可知,经过温度补偿后在全测试温度范围内的变送器输出几乎与理想输出曲线重合,而未进行温度补偿的输出随温度变化变送器的输出存在明显的偏移,且变送器的输出变小。

由图9可知,经过温度补偿后的变送器输出在全测试温度范围内的绝对误差较小,非线性误差得到较好的改善,并且由于在每个温度区间可进行零点校准,在空载时可以得到接近0测量误差的效果。而未经过温度补偿的变送器输出在全测试温度范围内误差呈现较大的离散性,在高低温两端测量误差较大。

当对传感器的误差进行补偿时,如采用较多的插值点及较小的温度区间,可以获得更好的误差补偿效果。

基于ARM7TDMI内核的ADUC7061和AD5420的智能变送器,充分利用高精度高性价比精密模拟微控制器ADUC7061的片内模拟外设,结合高精度低成本的V/I转换芯片AD5420及宽电压电源调理电路,具有宽电压电源输入、误差补偿、软件校准、模拟变送信号和数字信号双重输出、输出数字信号及模拟变送信号可在线重新配置等功能,克服了传统模拟变送器非智能化、应用现场不便于调节、不便于与上位机直接通信、传统数字变送器输出信号单一、非线性误差无补偿等缺点。本智能变送器目前已经应用于油田数据采集领域,可靠稳定,使用方便。

参考文献

[6]曹恒,李帅,奚云辉,等. 基于MSP430的高精度智能变送器研究与设计[J].振动、测试与诊断,2006,1(26),29-32.

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