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        基于單片機(jī)的頻率/電流變送器

        2013-09-25 14:13:16王堅
        電子設(shè)計工程 2013年8期
        關(guān)鍵詞:量程變送器閘門

        王堅

        (海安縣遠(yuǎn)志軟件工作室 江蘇 海安 226600)

        頻率/電流變送器(以下簡稱“變送器”)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化測控領(lǐng)域,傳統(tǒng)的變送器常由頻率/電壓專用模擬芯片構(gòu)成,如LM331、LM2907等。對于不同的頻率量程,這類變送器需要調(diào)整電路參數(shù),給生產(chǎn)和使用帶來了不便。在低頻段,為了減少紋波輸出,這類變送器需要采用時間常數(shù)較大的RC濾波電路,因而,響應(yīng)速度較慢,難以保證足夠的精度。速度、線速度、流量等與頻率相關(guān)的物理量,其頻率通常處于0~20 kHz頻段,當(dāng)其頻率低至20 Hz時,能否實現(xiàn)頻率到電流的精確轉(zhuǎn)換將成為無法回避的問題。

        文中結(jié)合實際應(yīng)用,從精度和響應(yīng)速度入手,提出基于AT89S52單片機(jī)的變送器設(shè)計思路,即利用單片機(jī)自帶的2路定時/計數(shù)器,運用同步M/T法對信號的頻率進(jìn)行精確測量,再把頻率值通過高分辨率的DAC轉(zhuǎn)換輸出。這種方法,可以保證在整個測量頻段,變送器有著一致的精度和響應(yīng)速度。

        1 擬定變送器的技術(shù)指標(biāo)

        結(jié)合實際應(yīng)用,擬定變送器的技術(shù)指標(biāo)為:

        1)頻率范圍:0.5 Hz~10 kHz;

        2)采樣周期:0.01~2 s;

        3)誤差:絕對誤差小于0.01 mA,相對誤差小于0.2%。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        2.1 同步M/T法測頻

        M法測頻是測量單位時間內(nèi)的脈沖數(shù),存在±1個信號脈沖的誤差,宜測量高頻率。T法測頻是測量兩個脈沖之間的時間,存在±1個標(biāo)準(zhǔn)時間單位的誤差,宜測量低頻率。同步M/T法是多周期測頻,它的閘門開關(guān)與被測信號的邊沿同步,不存在被測信號的計數(shù)誤差,只存在標(biāo)準(zhǔn)時間的±1誤差,在整個頻率段,同步M/T法測頻精度相同。提高標(biāo)準(zhǔn)時間的頻率可提高測量精度。

        同步M/T法測頻原理如圖1所示。測量時,先打開參考閘門,通過同步檢測器檢測被測信號的上升沿,在上升沿時刻打開實際閘門,兩路計數(shù)器對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)時間計數(shù);在參考閘門關(guān)閉時,再次通過同步檢測器檢測被測信號上升沿,在上升沿時刻關(guān)閉實際閘門,停止對被測信號和標(biāo)準(zhǔn)時間計數(shù)。同步M/T法的實際閘門時間與參考閘門時間存在差值,最大不超過一個被測信號周期[1]。

        被測信號頻率fx=f0×N/n

        其中:f0為標(biāo)準(zhǔn)時間頻率;N為被測信號的計數(shù)值;n為標(biāo)準(zhǔn)時間的計數(shù)值。

        圖1 M/T法測頻原理Fig.1 M/T frequency measurement principle

        2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

        系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由AT89S52單片機(jī)、M/T測頻電路、D/A轉(zhuǎn)換器、RS232通訊接口等電路組成。單片機(jī)工作頻率為11.059 2 MHz,它與M/T測頻電路完成頻率的測量,頻率值由DAC轉(zhuǎn)換成模擬電壓,再經(jīng)AD694轉(zhuǎn)換成4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。RS232接口用于和電腦通訊,實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。

        2.3 M/T法測頻電路

        原理圖如圖3所示。74LS74雙D觸發(fā)器構(gòu)成同步檢測器,其Q端為實際閘門,單片機(jī)的P14端為參考閘門,P10端為同步檢測器的復(fù)位控制。單片機(jī)T0定時/計數(shù)器工作在模式1、計數(shù)器方式。配置GATE=1,T0是否計數(shù)取決于INT0引腳的信號,INT0由0變1時,開始計數(shù),由1變0時,停止計數(shù),這樣,就可以測量實際閘門打開時被測信號的脈沖數(shù)。T1定時/計數(shù)器工作在模式1、定時器方式,定時器信號頻率為振蕩器頻率的1/12,即0.921 6 MHz。配置GATE=1,T1是否計數(shù)取決于INT1引腳的信號,利用INT1引腳測量實際閘門打開時標(biāo)準(zhǔn)時間的脈沖數(shù)。

        圖3 M/T法測頻電路Fig.3 M/T frequency measurement circuit

        2.4 D/A轉(zhuǎn)換電路

        原理圖如圖4所示。為了保證足夠的精度和分辨率,系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的12位D/A轉(zhuǎn)換器TLC5618,與單片機(jī)之間采用SPI連接方式,由OUTA輸出模擬信號。基準(zhǔn)電壓由TL431分壓提供,其值約為2 V。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率決定了變送器的分辨率,該變送器的分辨率為:頻率量程/4 095。

        圖4 D/A轉(zhuǎn)換電路Fig.4 D/A conversion circuit

        限于篇幅,其他電路較為簡單,在此不作介紹。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,流程如圖5所示。由主程序、M/T法測頻、DAC輸出、RS232接口、SPROM存儲等部分組成,軟件采用Keil uVision2軟件編寫。

        DAC輸出子程序中,D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量=(實際頻率值/量程值)×4 095。由該公式可以看出,對于不同頻率的變送器,只需改變其量程值,就可實現(xiàn)4~20 mA電流輸出。軟件中采用浮點數(shù)進(jìn)行運算,為防止送入D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)溢出,導(dǎo)致轉(zhuǎn)換錯誤,需對轉(zhuǎn)換值進(jìn)行限值,即大于4 095時,以4 095轉(zhuǎn)換輸出,用作超量程報警指示。

        變送器沒有配置鍵盤輸入,因此變送器的參數(shù)設(shè)置由電腦通過RS232接口完成。上位機(jī)軟件采用Delphi5.0編寫,圖6是轉(zhuǎn)速/電流變送器軟件設(shè)置界面,完成轉(zhuǎn)速量程、轉(zhuǎn)速傳感器齒數(shù)、采樣周期等參數(shù)的設(shè)置。當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器齒數(shù)為60時,轉(zhuǎn)速信號的頻率值與轉(zhuǎn)速值相等。

        圖5 軟件流程圖Fig.5 Software folw diagram

        圖6 轉(zhuǎn)速/電流變送器設(shè)置界面Fig.6 Interface of speed/current transmitter settigs

        4 實 驗

        在實驗室用頻率信號進(jìn)行實驗,變送器采樣周期設(shè)為100 ms,標(biāo)定頻率 0~10 kHz對應(yīng)輸出電流 4~20 mA,測得 10組數(shù)據(jù),結(jié)果如表1所示??梢钥闯觯?~10 kHz頻段,絕對誤差不大于0.005 mA,相對誤差小于0.1%,技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。

        表1 變送器測試數(shù)據(jù)及誤差計算Tab.1 Transmitter test data and error calculation

        5 結(jié) 論

        文中介紹的變送器,采用單片機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)了頻率到電流的轉(zhuǎn)換,整個設(shè)計達(dá)到了擬定要求。尤其在低頻段,有著很高的轉(zhuǎn)換精度,彌補了模擬型變送器的不足。該變送器通過電腦完成參數(shù)設(shè)置[8],節(jié)省了系統(tǒng)的硬件資源,提高了系統(tǒng)的可靠性,更改頻率量程時,不需要因為量程的改變而重新校準(zhǔn)4~20 mA輸出,具有良好的通用性。

        D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率決定了變送器的分辨率,從而決定了變送器的轉(zhuǎn)換精度。為了保證足夠的轉(zhuǎn)換精度,該變送器宜工作在0~20 kHz頻段,如需進(jìn)一步拓展頻率上限,需采用更高分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器。

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