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数字压力变送器的设计理念

2018-07-19 11:34:37  

数字压力变送器在设计中,要考虑很多的问题,以下为数字压力变送器设计全过程,并且参考了相关文献的著作,作者华仔。

在工业控制领域中,需要对一些参数进行测量,而一般传感器的输出信号较为微弱,不宜作远距离传输。为了使信号传送到远离现场的控制室时减小干扰,通常采用4mA~20mA输出的双线制变送器。信号模拟处理的变送器,由于电路复杂性的限制,非线性补偿效果不理想,很难在全温度范围内实现温度补偿,因此达不到较高的精度要求。低功耗单片机、高分辨率Σ△A/D转换器的日益普及,为高精度数字压力变送器的设计提供了技术途径。本文介绍了采用Microchip公司的低功耗单片机、Σ△A/D转换器及4mA~20mA电流输出D/A转换器构成的数字压力变送器的硬件构成及工作原理。
1 系统硬件构成及工作过程
13水游戏平台-欢乐十三张-十三水棋牌游戏平台    数字压力变送器的硬件系统组成如图1所示。


  系统由压力传感器、温度传感器、A/D转换器、CPU、EEPROM、D/A转换器及液晶显示器等几部分组成。A/D、D/A转换器,EEPROM,液晶显示器与CPU均使用串行接口。因为系统采用两线制变送器方案,要求整个系统的电流小于4mA。选择器件时功耗应作为一个重要的因素考虑,本系统所使用的A/D转换器、液晶显示器均具有省电功能,在设计软件时,可以使各部分分时工作,确保整个系统的工作电流在4mA以内。A/D转换器使用CS5523Σ△A/D转换器,其在5V工作电压下,功耗为5.5mW,当输入信号范围为1V、2.5V、5V时功耗仅1.8 mW;CPU采用PIC16C711,其工作电流与时钟有关,在5V、32kHz时,电流小于100μA;液晶显示器工作电流小于50μA;D/A转换器采用AD421,其内部带有电压调整电路,外部仅需一只N沟道场效应管即可为系统提供稳定的5V工作电压,D/A转换器还可为系统提供1.25 V或2.5 V的基准电压作为A/D转换器的参考电压。
  系统的工作过程:从压力传感器和温度传感器来的信号进入到A/D转换器,其内部具有程控放大器,可根据输入信号范围自动设置放大器的增益,A/D转换器对模拟信号数字化并数字滤波后,由CPU根据当前的温度,从EEPROM中读取零点、线性度校正数据,进行压力传感器的零点校正、非线性补偿。然后根据量程范围进行量程转换,将压力数字量送到D/A转换器转换成电流输出,同时将压力以kPa为单位显示在液晶显示器上。
2 CS5523 A/D转换器
  系统中所使用的A/D转换器是高集成度、四通道16位Σ△A/D转换器。其内部包括仪器放大器、可编程增益放大器、多路转换开关、数字滤波器及自校准、系统校准电路。芯片提供负压产生电路,仅需少量的外围元件就可以为内部放大器提供负压,使得A/D转换器可以对不超过±100mV的双极性信号进行A/D转换。
2.1 A/D转换器寄存器的设置
  CS5523的寄存器有配置寄存器(ConfigurationRegister)、信道设置寄存器(Channel SetupRegisters)、增益寄存器(Gain Registers)、零点偏移寄存器(Offset Registers)、两组命令寄存器(CommandRegister)。增益寄存器和偏移寄存器存放A/D转换器内部放大器的增益、零点漂移校准数据,如果使用增益、零点偏移自校准命令,校准结果自动存放至相应的寄存器中,也可以人工校准增益、零点偏移,然后将校准结果写入相应寄存器中。一般采用内部自校准方式,当温度变化时,由软件控制A/D转换器进行增益、零点偏移校准。这样,可以实现实时校准内部程控放大器的增益、零点漂移误差。
  配置寄存器用于设置A/D转换器的工作模式(多次转换或单次转换),多次转换时转换一次的逻辑信道数,省电模式使能,负压电路使能及各种标志位。
  信道设置寄存器用于设置逻辑信道与物理信道的对应关系,转换速率,各物理信道的输入信号范围及输入信号极性(负压电路使能时,可以双极性信号输入)。信道设置寄存器由4个24位寄存器组成,每个逻辑信道对应12位,共可设置8个逻辑信道。一个物理信道可以对应多个逻辑信道,且多个逻辑信道可以具有不同的转换速率、输入信号范围。因此,在多次转换模式时,一次转换可以得到对某一物理信道的多次转换结果。
  两组命令寄存器一组(最高位为0)用于读写各物理信道的增益寄存器、偏移寄存器,读写配置寄存器、信道设置寄存器以及读转换结果。另一组(最高位为1)用于各逻辑信道的增益、零点偏移自校准,增益、零点偏移系统校准及启动正常转换。
2.2 工作模式设置
  CS5523可以设置为多次转换模式或单次转换模式。当设置为多次转换模式时,应将配置寄存器的MC位设置为1,同时要设置多次转换时,一次转换的逻辑信道数(对应配置寄存器的深度指针)且设置值应为001,011或111。当设置为单次转换模式时,配置寄存器的MC位设置为0,配置寄存器的深度指针不起作用,对某一逻辑信道进行转换直接由命令寄存器的信道指针(ChannelPointer)确定。
2.3 增益、零点偏移自校准
  做增益、零点偏移自校准时,首先要设置好信道设置寄存器。设置好信道指针后,直接使用校准命令就可以对某一逻辑信道进行增益、零点偏移自校准。值得注意的是如果一个物理信道对应多个逻辑信道,且多个逻辑信道设置的转换速率、输入信号范围不同,A/D转换器存储的校准结果为最后一个逻辑信道的校准结果。因此,当使用一个物理信道对应多个逻辑信道方式,扩展模拟输入通道时,对每个逻辑信道进行A/D转换时,可能都要进行增益、零点偏移自校准,否则会造成较大误差。
3 软件设计
  整个系统软件包括如下几个模块:(1)系统初始化包括液晶显示器、A/D转换器、D/A转换器的初始化;(2)A/D转换器校准包括各通道增益、零点漂移校正;(3)压力、温度数据采集;(4)压力传感器零点校准,非线性补偿;(5)量程转换,D/A数据输出;(6)压力显示
模块。软件流程图如图2所示。

4 试验结果
  我们采用陶瓷压阻压力传感器,其主要技术指标为:量程30kPa,灵敏度2mV/V,零点±0.2mV/V,线性度±0.2%,工作温度-40℃~+125℃。A/D转换器的输入信号范围设置为±25mV。考虑到传感器的线性度误差能满足系统精度要求,数据处理仅考虑零点校正。试验结果见表1。

参考文献

1 郑黎明等.智能模拟/数字压力变送器的研制.自动化与仪表,1999;2:15~17
2 唐慧强.精密压力变送器的研制.测控技术,1999;18(6):63~64


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