呂振彬, 袁企鄉(xiāng), 徐　瑋, 徐　昕

(上海航天計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所，上?！?01109)

?

基于dsPIC的4～20 mA兩線制恒流源的設(shè)計(jì)

呂振彬, 袁企鄉(xiāng), 徐瑋, 徐昕

(上海航天計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所，上海201109)

我國(guó)新一代運(yùn)載火箭動(dòng)力測(cè)發(fā)控系統(tǒng)等效器中，需采用數(shù)十路4～20 mA電流源模擬配氣臺(tái)壓力變送器信號(hào)，對(duì)設(shè)備輸出精度、集成度、可靠性等指標(biāo)提出較高要求；文章提出一種基于dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器控制18路PWM輸出、低通濾波實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換、最終實(shí)現(xiàn)了兩線制4～20 mA電流輸出的方法，并對(duì)該設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)及軟硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析；該方案具備技術(shù)先進(jìn)、輸出精度高、可靠性好、高度集成化、外圍電路少、軟件控制簡(jiǎn)捷等優(yōu)點(diǎn)，由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，在技術(shù)上已經(jīng)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先狀態(tài)，現(xiàn)在經(jīng)過(guò)在我國(guó)新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征六號(hào)動(dòng)力測(cè)發(fā)控系統(tǒng)等效器中得到了成功應(yīng)用。

PWM; 低通濾波; 恒流源 4～20mA

0　引言

信號(hào)長(zhǎng)線傳輸時(shí)，如果傳輸?shù)氖请妷盒盘?hào)，則傳輸線會(huì)受到噪聲的干擾，傳輸線的電阻也會(huì)產(chǎn)生電壓降，影響信號(hào)的傳輸。為了避免上述情況，通常用電流來(lái)傳輸信號(hào)。4～20 mA電流環(huán)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中有抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

某型運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)等效器需要模擬64路壓力變送器信號(hào)，信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)，要求每路信號(hào)獨(dú)立，并可通過(guò)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。計(jì)算機(jī)內(nèi)使用MOXA CP132I板卡，該板卡提供兩路獨(dú)立的全雙工RS422通路。計(jì)算機(jī)通過(guò)RS422與dsPIC33FJ64GS610數(shù)字信號(hào)控制器通信，數(shù)字信號(hào)控制器可輸出18路獨(dú)立的可控的PWM波形，PWM經(jīng)過(guò)光電隔離后，進(jìn)行低通濾波，濾除高頻分量，留下直流分量，通過(guò)濾波后的直流分量對(duì)XTR115的輸出4～20 mA電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

dsPIC33FJ64GS610是microchip公司設(shè)計(jì)的16位的數(shù)字信號(hào)控制器，它集成了數(shù)字信號(hào)控制器的控制功能及數(shù)字信號(hào)處理的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，能夠在工業(yè)級(jí)溫度范圍能工作。集成了振蕩器、低電壓檢測(cè)、看門狗，外圍電路比較簡(jiǎn)單。

dsPIC33FJ64GS610數(shù)字信號(hào)控制器最多可支持18路PWM信號(hào)的輸出。每路信號(hào)都可以獨(dú)立由軟件對(duì)信號(hào)周期和占空比調(diào)整。PWM占空比設(shè)置寄存器為雙緩沖設(shè)計(jì),使PWM輸出過(guò)程中更新占空比時(shí)不會(huì)產(chǎn)生毛刺。對(duì)于占空比設(shè)置,具有可由用戶訪問(wèn)的占空比寄存器和保存當(dāng)前正使用的PWM周期內(nèi)的實(shí)際比較值的占空比寄存器，可在當(dāng)前PWM輸出周期內(nèi)設(shè)置下一個(gè)PWM波形的占空比。

XTR115屬于二線制電流變送器，專為工業(yè)控制領(lǐng)域4-20 mA電流環(huán)設(shè)計(jì)的芯片，電流放大增益系數(shù)為100，由環(huán)路電源供電，范圍為7.5 V-36 V，同時(shí)具有5 V和2.5 V參考電壓的輸出。工作溫度范圍是-40～+85℃。

圖1　4～20 mA電流源系統(tǒng)架構(gòu)

2　硬件原理分析

根據(jù)傅里葉變換原理，信號(hào)經(jīng)過(guò)傅里葉變換可分為直流分量和交流分量，為保留信號(hào)中4～20 mA的直流分量，需選擇合適的濾波器，將交流分量濾除，留下直流分量。DSP調(diào)節(jié)PWM信號(hào)占空比，從而控制直流分量大小，并實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換后的電壓值作為XTR115的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)4～20 mA電流的可控輸出。

2.1低通濾波

每一個(gè)PWM信號(hào)(周期為T, ωn=2π/T,占空比為τ)，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為：

(1)

其中：直流分量

(2)

(3)

(4)

(5)

通過(guò)采用低通濾波器將所有交流分量濾除，頻率為wn，2wn等，只剩下直流分量，再通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，改變電壓Ud的大小，從而將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成了4～20 mA的模擬信號(hào)。

2.2PWM轉(zhuǎn)A/D精度分析

PWM信號(hào)與PWM頻率通過(guò)低通濾波器后，在直流信號(hào)上產(chǎn)生紋波疊加，從而決定了D/A轉(zhuǎn)換的精度。頻率fn越高，越容易使直流分量與交流分量分開。當(dāng)dsPIC33FJ64GS610倍頻后供PWM計(jì)數(shù)的時(shí)鐘頻率為120 MHz時(shí)，即產(chǎn)生30 kHz的PWM信號(hào)；每產(chǎn)生一個(gè)周期的PWM信號(hào)，則計(jì)數(shù)4000個(gè)時(shí)鐘單位。因此，所得直流分量的最小輸出為1個(gè)時(shí)鐘單位產(chǎn)生的PWM信號(hào)為0.825 mV(3.3 V×l/4 000)，而12位的D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出0.81 mV(3.3 V/4096)。當(dāng)把PWM信號(hào)的頻率從30 kHz降到5 kHz時(shí)，直流分量的最小輸出則降低為0．11 mV(3.3/24 000)，接近于15位的分辨率。因此在理論上，PWM信號(hào)的頻率越低，所得的直流分量就越小，D/A轉(zhuǎn)換分辨率越高。但需要注意的是，當(dāng)PWM信號(hào)基頻減小時(shí)，相應(yīng)的諧波分量頻率也會(huì)降低，因此有更多的諧波通過(guò)相同帶寬的低通濾波器，造成輸出直流分量的紋波加大，又會(huì)使D/A轉(zhuǎn)換的分辨率降低。由此可見，要獲得較高的分辨率，單純降低PWM信號(hào)的頻率并不能實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，PWM輸出D/A轉(zhuǎn)換的誤差，由PWM信號(hào)的頻率決定的最小輸出電壓，以及通過(guò)低通濾波器的高頻分量所產(chǎn)生的紋波這兩個(gè)方面決定。要獲得最佳的D/A分辨率，在選取PWM信號(hào)的頻率時(shí)不能太小，要綜合考慮選取一個(gè)最合適的值。

表1　PWM頻率與分辨率對(duì)應(yīng)關(guān)系

PWM輸出首先通過(guò)光電隔離電路，然后經(jīng)過(guò)阻容濾波，再輸出模擬信號(hào)。本設(shè)計(jì)選擇巴特沃茲型濾波器，該濾波器具有平坦的通帶幅頻特性，并且過(guò)渡帶和截止帶衰減很快，其傳遞函數(shù)為：

(6)

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)以模塊化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，分為控制計(jì)算機(jī)程序、dsPIC33FJ64GS610數(shù)字信號(hào)控制器程序兩個(gè)組成部分，二者之間協(xié)同工作。dsPIC33FJ64GS610接收到信號(hào)后，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)合格則反饋正確幀給控制計(jì)算機(jī)，否則反饋錯(cuò)誤幀。

控制計(jì)算機(jī)與dsPIC33FJ64GS610數(shù)字信號(hào)控制器通過(guò)全雙工RS422通信協(xié)議，波特率9.6 kbps。如無(wú)特殊說(shuō)明，數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)，高位在前，低位在后。信息幀格式如表2所示。dsPIC33FJ64GS610數(shù)字信號(hào)控制器接收到RS422數(shù)據(jù)后，進(jìn)行CRC校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確則反饋值0xffff給控制計(jì)算機(jī)，否則反饋0x0000，反饋幀格式如表3所示。如果控制計(jì)算機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)后1 s內(nèi)未收到反饋幀，重新發(fā)送數(shù)據(jù)，連續(xù)發(fā)送3次未收到反饋，認(rèn)為數(shù)據(jù)丟失，則控制計(jì)算機(jī)報(bào)警。

表2　信息幀格式

表3　反饋幀格式

4　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某型運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)等效器壓力變送器信號(hào)的需求，給出一種可與控制計(jì)算機(jī)通訊的基于dsPIC33FJ64GS610數(shù)字信號(hào)控制器和XTR115的兩線制4～20 mA電流環(huán)數(shù)據(jù)傳輸電路。首先討論了該模型的系統(tǒng)架構(gòu)，詳細(xì)闡述了PWM信號(hào)的產(chǎn)生、低通濾波、D/A精度的方法，針對(duì)XTR115芯片，分析了其性能特點(diǎn)與工作原理，給出了典型應(yīng)用電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。該方案成本低，簡(jiǎn)單易行，在測(cè)試、測(cè)量領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 咎勇,羅永紅,王沛瑩.XTR115電流環(huán)電路原理及應(yīng)用[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2011(8):190-192.

[2] 楊旭輝.一種在DSP上實(shí)現(xiàn)多路D/A輸出的方法[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2009(5):71-73.

[3] 張華棟,孫麗麗.用TMS320LF2407和XTR115設(shè)計(jì)電流環(huán)回路[J]. 電子產(chǎn)品世界，2005(11):90-92.

[4] 劉艷,汪毅,賈雯杰,等. 一種常見精密恒流源的改進(jìn)與應(yīng)用[J]. 電測(cè)與儀表,2011,(4):93-96.

[5] 徐猛,李智. 恒流源在高精度數(shù)字多用表中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電測(cè)與儀表,2009,05:72-75.

[6] 薛易. 一種精密程控恒流源設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化儀表,2009,(4):63-65.

Design of Two-wire 4～20 mA Constant-Current Source Based on dsPIC

LU Zhenbin，Yuan Qixiang，Xu Wei，Xu Xin

(Shanghai institute of aerospace computer technology，Shanghai201109,China)

In the equivalent device of dynamic test and launch control system of new generation launch vehicle, tens of 4 to 20 mA current sources are used to simulate air pressure transmitter of distributing device. This proposes higher requirements to output precision, integration degree,reliability and so on. This paper proposes a method which uses dsPIC digital signal controller to control PWM output and low-pass filter to achieve D/Aconverter,finally two-wire 4 to 20mA current output is realized. In this paper, the design theoretical foundation as well as hardware and software realization are analyzed. This scheme has advantages of advanced technology, high output accuracy, reliability, high integration,less peripheral circuits, simple software control, ect. It has been successfully applied in equivalent device of CZ-6 new generation launch vehicle dynamic test and launch control system.

PWM; low-pass filter; constant-current source;4～20 mA

2015-10-23；

2015-11-05。

呂振彬(1985-)，男，山東聊城人，工學(xué)碩士，主要從事運(yùn)載火箭測(cè)發(fā)控技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0310-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.086

A