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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