摘　要： 針對傳統模擬式壓力變送器測量范圍窄、響應速度慢等現象，本文基于片上系統（SOC：System-on-achip）和同步采樣技術(shù)設計了一種新型高精度快速壓力變送器。介紹了該變送器的原理、功能及軟硬件實(shí)現方法。該變送器不僅具有自動(dòng)校準功能，還具有量程自由選擇、對外 485 通信等功能。試驗表明，本文所設計的變送器精度高，測量范圍廣、響應速度快，工作穩定可靠，比普通變送器具有更廣闊的應用領(lǐng)域。

 

引言

變送器作為工業(yè)自動(dòng)化測控領(lǐng)域的基礎設備，主要完成各種模擬量信號的測量及變送功能。壓力變送器是一種能將被測直流信號轉換成按線(xiàn)性比例輸出直流電壓或直流電流信號的裝置，廣泛應用于電力、遠程監控、儀器儀表等需要隔離測控的行業(yè)。

 

在自動(dòng)化測控領(lǐng)域，隨著(zhù)高參數、大容量設備的增加及過(guò)程工藝的復雜化，變送器用量也越來(lái)越多，對變送器的要求也越來(lái)越高。針對傳統模擬式變送器存在精que度不夠高、響應速度慢、漂移過(guò)大、測量范圍窄、維護和維修費用大等一系列問(wèn)題，本文設計了一種基于 SOC 和同步采樣技術(shù)的高精度壓力變送器。該變送器有 7 個(gè)預先設定的輸入量程可供直接選擇，也可根據用戶(hù)需求重新設定量程。

 

本文所設計的變送器，對外部輸入模擬量信號進(jìn)行調制后，通過(guò)線(xiàn)性光耦實(shí)現強弱電間的線(xiàn)性隔離，通過(guò) A/D 轉換芯片對隔離后的模擬量信號進(jìn)行高速數據采集，SOC 通過(guò)對采集到的數據進(jìn)行運算，把運算結果通過(guò) D/A 轉換芯片轉換為 0~5 V 的電壓信號和 4~20 mA（0~20 mA）的電流信號快速輸出的同時(shí)，也可通過(guò) 485 通信的方式把采集到的模擬量送至上位機。把本文設計的變送器應用于試驗同步發(fā)電機組中，具有較好的變送輸出功能。

 

1 系統組成及主要特點(diǎn)

1.1 系統組成

壓力變送器板系統框圖如圖 1 所示。

壓力變送器板由隔離模塊、A/D 轉換模塊、同步調制模塊、D/A 轉換模塊、對外變送模塊和 SOC 中央處理單元等組成。通過(guò)對外部輸入模擬量的同步采樣，實(shí)現對模擬量的變送輸出功能。壓力變送器通過(guò) 0~5 V 直流模擬量、4~20 mA（0~20 mA）和 485通信 3 種方式實(shí)現對外輸出。

 

1.2 主要特點(diǎn)

（1）響應速度快

傳統模擬式變送器的響應時(shí)間一般為 300 ms左右，本文所設計的變送器，響應速度低于 10 ms，便于上位機監控系統對模擬量的實(shí)時(shí)測量和監控。

（2）應用范圍廣

由于采用同步采樣技術(shù)，本文所設計的壓力變送器不僅適用于傳統直流電壓信號的測量，對鋸齒波等周期性信號的測量也特別適用。

（3）測量范圍廣

本文所設計的變送器有 7 個(gè)量程可供選擇，分 別 為 0~75 mV、0~250 V、0~500 V、0~1 000 V、-250~+250 V、-500~+500 V、-1 000~+1 000 V。針對不同的輸入電壓范圍，可選擇相應量程，用戶(hù)也可根據需要重新設定量程，通過(guò)重新校準即可正常使用。

（4）自動(dòng)校準功能

針對電子元器件老化、零點(diǎn)漂移等問(wèn)題，本文所設計的壓力變送器具有自動(dòng)校準功能。通過(guò)加入一定的模擬量輸入，實(shí)現一鍵校準，校準值寫(xiě)入片內FLASH，在下次系統重新啟動(dòng)時(shí)，主控芯片從片內FLASH 中讀取校準值參與運算。

（5）精度高

本文所設計的壓力變送器對隔離轉換后的模擬量采用 16 位 A/D 轉換芯片進(jìn)行數據采集，每個(gè)采樣周期采樣 512 個(gè)點(diǎn)，從而實(shí)現高精度測量。同時(shí)，所設計的變送器精度等級可達 0.2。

（6）對外通信功能

本文所設計變送器具有對外通信功能，采用485 通信接口，Modbus 通信協(xié)議，把所采集到的模擬量信息通過(guò)通信的方式送至上位機監控系統。

 

2 硬件設計

基于片上系統的壓力變送器由隔離模塊、同步調制模塊、A/D 轉換模塊、D/A 轉換模塊、485 通信模塊、中央處理單元模塊和電流變送模塊等組成。

 

2.1 隔離模塊

在工業(yè)測量和控制系統中，被監測信號容易受到強電磁干擾和尖峰電壓的影響，為了避免內部電路免受外部電路的影響，必須將測量系統和計算機系統進(jìn)行電氣隔離 [1]。本文設計的變送器采用HCRN201[2] 高線(xiàn)性度光電耦合器實(shí)現模擬信號的隔離。HCRN201 屬于低功耗模擬隔離芯片，隔離電壓達 5 000 V，同時(shí)該隔離芯片體積小，價(jià)格便宜，隔離電路簡(jiǎn)單，可以完全消除前后級的相互干擾，具有較強的抗干擾能力。

 

2.2 同步調制模塊

針對外部輸入的直流信號，采用固定間隔對其進(jìn)行采樣。針對外部輸入鋸齒波等周期信號，通過(guò)對周期信號的頻率測量實(shí)現對輸入信號的同步采

樣。同步調制模塊的框圖如圖 2 所示。輸入信號一般為鋸齒波等周期信號，濾波回路由電阻和電容組成，整型電路由比較器及其相關(guān)電路組成。通過(guò)對外部輸入信號進(jìn)行調制，輸出方波信號便于主控制器對同步信號進(jìn)行頻率測量，進(jìn)而實(shí)現對外部輸入模擬量信號的同步采樣功能。

2.3 A/D 轉換模塊

主控芯片通過(guò) A/D 轉換模塊對隔離轉換后的模擬量進(jìn)行采樣。為了使變送器能夠對外部輸入的負值信號進(jìn)行采樣，本設計采用 Analog Device 公司的 AD7606 芯片進(jìn)行模擬量采集，芯片與主控制器采用 SPI 接口，輸入電壓范圍 -10~+10 V，具有采樣精度高、吞吐速率大的特點(diǎn)。

 

2.4 片上系統 SOC

本 文 采 用 Microsemi 公 司 的 smartfusion2 系列 SOC 芯 片 M2 S010 作 為 主 控 芯 片，M2 S010 采用 Flash 技術(shù)，在單一芯片上集成了 Fabric 和 ARM Cortex-M3 硬核處理器，同時(shí)還具有先金的安全處理加速器、DSP 模塊、SRAM、eNVM 和業(yè)界所需的高性能通信接口，簡(jiǎn)化了硬件電路的設計。Fabric部分主要實(shí)現變送器量程選擇、A/D 轉換、同步采樣算法和 D/A 轉換功能。Cortex-M3 硬核處理器主要實(shí)現自動(dòng)校準、對外 485 通信等功能。

 

2.5 D/A 轉換及電流變送模塊

在片上系統處理后的數據通過(guò) D/A 轉換模塊輸出 0~5 V 的電壓信號。同時(shí)，經(jīng) D/A 轉換輸出的電壓信號還可以根據需要通過(guò)電流變送模塊轉換為4~20 mA（0~20 mA）的標準信號輸出。

 

2.6 通信模塊

本文所設計的壓力變送器可對外支持 RS485接口規范，采用 Modbus 通信規約，支持 RTU 通信模式，8 位數據位，波特率可達 57 600 bit/s，停止位和校驗位可根據需要進(jìn)行更改。壓力變送器板的命令格式如表 1 所示（以下數字均為 16 進(jìn)制）：

3 軟件設計

3.1 SOC 軟件設計

SOC 芯片 M2 S010 在單一芯片上集成了 Fabric和 ARM Cortex-M3 硬核處理器，框圖如圖 3 所示。

從圖中可以看出，Fabric 部分主要完成 A/D、D/A 邏 輯 控 制 部 分 軟 件 的 實(shí) 現，Fabric 部 分 和Cortex-M3 之間通過(guò)片內 APB3 總路線(xiàn)進(jìn)行數據交互，Cortex-M3 完成片內 FLASH 的讀寫(xiě)和對外 485通信的軟件功能實(shí)現。當系統處于校準模式時(shí)，Cortex-M3 根據 A/D 采樣數據進(jìn)行自動(dòng)校準，并把校準參數寫(xiě)入片內 FLASH，當系統重新啟動(dòng)時(shí)，從片內 FLASH 讀取校準值參與運算功能。

 

3.2 系統軟件設計

本文所設計的壓力變送器系統軟件結構圖如圖4 所示。

如 圖 4 所 示，系 統 初 始 化 之 后 shou 先 從 片 內FLASH 讀取校準值，然后與當前模擬量采樣值進(jìn)行運算處理。運算后的數值通過(guò)通信和模擬量?jì)煞N方式對外輸出。

 

4 功能測試

4.1 小輸入信號下變送器功能測試

針對小輸入電壓信號，本文所設計的變送器shou先對其進(jìn)行運算放大，之后再進(jìn)行隔離輸出。片上系統通過(guò)對隔離后的信號進(jìn)行數據采集及運算，把運算結果以模擬量和通信的方式輸出。本文所設計的變送器可對外部 0~75 mV 的弱電信號進(jìn)行變送輸出。為了便于測量，在變送器輸出端（4~20 mA）并入阻值為 249.017 Ω 的電阻，測得數據如表 3 所示。

 

從表 3 中可以看出，當輸入信號為 0~75 mV 的弱電信號時(shí)輸出對應 4~20 mA，輸出精度達 0.2 %。當輸入信號為 0~75 mV 時(shí)，0~5 V 輸出端與輸入的對應關(guān)系如圖 5 所示。輸入與輸出間具有很好的線(xiàn)性度。

 

4.2 具有負量程輸入信號功能測試

針對電壓信號，常規變送器測量的#小值一般為 0 V。針對特殊行業(yè)，例如電站勵磁系統的勵磁電壓信號量，由于勵磁系統在逆變過(guò)程中勵磁電壓為負值，常規電壓變送器不能對負電壓信號進(jìn)行正確測量，本文所設計的變送器就能很好的解決負電壓測量的問(wèn)題。當設定外部模擬量輸入量程為 -250~+250 V 時(shí)，用繼電保護測試儀加入 -250~+250 V 的直流電壓信號時(shí)測得輸入電壓與輸出電流的對應關(guān)系如表 4 所示（理論要求當電壓輸入為 -250 V 時(shí)，電流輸出 4 mA，當電壓輸入為0 V 時(shí)，電流輸出 12 mA 當電壓輸入為 250 V 時(shí)，電流輸出 20 mA）。

 

從 表 4 中 可 以 看 出，當 變 送 器 量 程 選 擇為 -250~+250 V 時(shí)，變送器的輸出精度達到 0.2 %。圖 6 為變送器輸入與輸出間的線(xiàn)性關(guān)系圖。當變送器輸入 -250~+250 V 時(shí)，變送器輸出 0~5 V，從圖 6 中可以看出，當輸入電壓為 0 V 時(shí)，變送器輸出為 2.5 V，輸入與輸出具有很好的線(xiàn)性度。

 

4.3 實(shí)際應用

水（火）電站同步發(fā)電機勵磁系統功率單元一般采用三相橋式全控整流電路 [3]，由于同步發(fā)電機轉子的電感特性，勵磁系統整流橋輸出可能會(huì )出現負電壓，采用常規電壓變送器不能準確測量整流橋輸出電壓的真實(shí)值。對于試驗用同步發(fā)電機組，當機組處于空載狀態(tài)時(shí)采用本文所設計的 -250~+250 V量程的變送器對整流橋輸出電壓進(jìn)行測量，測得電壓波形和壓力變送器的輸出波形如圖 7 所示。其中整流橋陽(yáng)極電壓為 85 V，直流輸出電壓 39.36 V，可控硅觸發(fā)角 68.16°。為了便于測量，在電壓變送器的輸出端并聯(lián) 249.017 Ω 的電阻，電阻上的直流電壓為 3.299 V，對應于 13.248 mA，和理論計算相符。

 

5 結語(yǔ)

針對傳統模擬式壓力變送器量程固定、響應速度慢等現象，本文基于片上系統和同步采樣技術(shù)設計了一種新型高精度快速壓力變送器。對變送器的原理、特點(diǎn)及軟硬件實(shí)現方法進(jìn)行了介紹。該變送器不僅具有自動(dòng)校準功能，還具有量程選擇、對外 485 通迅等功能。把本文設計的壓力變送器應用于試驗同步發(fā)電機組中，取得較好的變送輸出功能。結果表明，本文所設計的變送器精度高，測量范圍廣、響應速度快，工作穩定可靠，比普通變送器具有更廣闊的應用領(lǐng)域。