基于低成本MCU的電流環(huán)路校準(zhǔn)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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這次任務(wù)的目的是降低這些設(shè)備的成本，進(jìn)而降低其銷售價(jià)格。所設(shè)計(jì)設(shè)備的電流源分辨率為0.001mA。它能以階梯或斜坡函數(shù)格式自動(dòng)化地或通過數(shù)字鍵盤以人工方式輸入電流值來測(cè)量并提供所需要的4~20mA范圍內(nèi)的電流。
4~20mA電流環(huán)路是在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)送傳感器信息的一種基本方法。傳感器是一種用來測(cè)量溫度、壓力、速度和流體流動(dòng)等物理參數(shù)的器件。大多數(shù)過程自動(dòng)化傳感器使用4~20mA的電流環(huán)路接口實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。這種接口一般用于通過電流環(huán)路向遠(yuǎn)端站點(diǎn)發(fā)送傳感器值(見圖1)。
圖1：電流環(huán)路系統(tǒng)縱覽
業(yè)界有許多系統(tǒng)遵循4~20mA電流環(huán)路標(biāo)準(zhǔn)。4~20mA電流環(huán)路校準(zhǔn)器就是用于測(cè)試和校準(zhǔn)這些系統(tǒng)。4~20mA電流環(huán)路是這樣設(shè)計(jì)的：當(dāng)傳感器接收到最小值時(shí)，環(huán)路電流是4mA；當(dāng)傳感器達(dá)到最大值時(shí)，環(huán)路電流變成20mA。因此4mA被認(rèn)為是起點(diǎn)(0%讀數(shù))，20mA是滿刻度讀數(shù)(100%)。在這種條件下，0mA值被解釋為通信中斷。也就是說，0至4mA范圍被稱為零或偏移量，4至20mA范圍被稱為發(fā)送器的正常覆蓋范圍。
4~20mA電流環(huán)路電路由4部分組成，分別是傳感器/轉(zhuǎn)換器、發(fā)送器、接收器和電流源，見圖2。傳感器或換能器測(cè)量物理參數(shù)幅度，并轉(zhuǎn)換為電壓。發(fā)送器將來自傳感器的電壓信息轉(zhuǎn)換為4~20mA電流值。接收器在收到4~20mA電流值后將它轉(zhuǎn)換回電壓，并發(fā)送給過程控制器或指示器。電流源也提供電流環(huán)路。每個(gè)環(huán)路中至少有一個(gè)接收器，它可以是一個(gè)指示器(一臺(tái)儀表或一個(gè)數(shù)字顯示器)、一個(gè)圖表記錄器、一個(gè)RTU或PLC輸入電路、閥門致動(dòng)器等。
FIGURE 2. The Fluke 707 loop calibrator sells for around $700 to $800.
在設(shè)計(jì)和測(cè)試帶傳感器的工業(yè)設(shè)備時(shí)，我們可以使用電流環(huán)路校準(zhǔn)器并依據(jù)傳感器可能有的值來觀察系統(tǒng)行為。
校準(zhǔn)器產(chǎn)生而且也讀取4~20mA范圍內(nèi)的電流值。對(duì)于圖2所示的系統(tǒng)，電流環(huán)路校準(zhǔn)器可以通過取代發(fā)送器和接收器來判斷過程控制器在遠(yuǎn)程系統(tǒng)的不同過程條件(如10%、50%和77%范圍內(nèi)的溫度值)下的行為。
在商用化市場(chǎng)中，存在許多類型且具有不同規(guī)格的4~20mA電流環(huán)路校準(zhǔn)器，它們的價(jià)格高達(dá)2,000美元。本次研究的目的是要降低這些設(shè)備的成本，從而降低其銷售價(jià)格。
大多數(shù)商用化校準(zhǔn)器都有基于模擬或階梯/斜坡函數(shù)進(jìn)行調(diào)整的屬性。本次研究旨在開發(fā)出一種能夠在足夠短的時(shí)間內(nèi)通過鍵盤輸入方法調(diào)整到目標(biāo)電流值的校準(zhǔn)器。另外，所開發(fā)的設(shè)備應(yīng)能夠產(chǎn)生具有足夠精度的電流值，并能根據(jù)階梯/斜坡函數(shù)進(jìn)行自動(dòng)或手工調(diào)整。
在科學(xué)文獻(xiàn)中有許多與本研究工作相關(guān)的出版物，比如具有0~20kA值的電流調(diào)整系統(tǒng)，用于大電流/電源轉(zhuǎn)換器的10mA直流電流源，通用CMOS電流源等，但沒有一個(gè)可直接用于4~20mA電路環(huán)路。本次實(shí)現(xiàn)的設(shè)備具有上述電流環(huán)路標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的很高精度，還能夠完成許多功能，如發(fā)送器、接收器、電流源以及與這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的測(cè)量。另外，根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的模擬值，我們開發(fā)了一種基于數(shù)字接口微控制器的系統(tǒng)。這樣做的主要理由是數(shù)字系統(tǒng)工作穩(wěn)定，較少受環(huán)境條件(噪聲、熱量等)的影響，并且更容易使用。
校準(zhǔn)器的規(guī)范
首先我們來了解一下商用校準(zhǔn)器的屬性，見圖3。
圖3：商用電流環(huán)路校準(zhǔn)器例子
在4~20mA范圍內(nèi)的電流產(chǎn)生和讀??；
0~20V工作電壓；
電流源分辨率為0.001mA；
電流讀取精度為0.012%；
9V堿性電池；
允許使用240V交流；
在LCD指示器上以百分比(%)指示電流值(也存在使用條形圖案的產(chǎn)品)；
使用兩線發(fā)送器。
這次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由數(shù)字鍵盤、編碼器、微控制器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、電流源、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和LCD指示器組成(見圖4)。我們使用PIC16F877微控制器控制系統(tǒng)。PIC16F877是一種40引腳、帶8位CMOS閃存的微控制器。選擇這種微控制器的理由是，它具有足夠多的輸入端口用于LCD、鍵盤和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，還有一個(gè)串行外設(shè)接口(SPI)、一個(gè)用于鍵盤的中斷源、一個(gè)內(nèi)部模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，最后是低成本。
圖4：系統(tǒng)框圖
評(píng)論