【正文】 .......................................................................... 30 附件 2 模擬電路仿真 ............................................................................... 31 仿真流程 ..................................................................................... 32 調(diào)試方法 ..................................................................................... 32 基于單片機(jī)的二線制數(shù)據(jù)傳感器設(shè)計 1 前 言 在工業(yè)現(xiàn)場，用一個儀表放大器來完成信號得到調(diào)理并進(jìn)行長線傳輸，會產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘?，傳輸線會受到噪聲干擾；第二在現(xiàn)場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個問題。為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，我們用電流來傳輸信號，因為電流對噪聲并不敏感。 4~20mA 的電流環(huán)便是用 4mA表示零信號，用 20mA 表示信號的滿刻度，而低于 4mA 高于 20mA 的信號用于各種故障的報警。 電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成 4~20mA 電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線 ，加上兩根電流輸出線，總共要接 4 根線，稱之為四線制變送器。如圖 所示。當(dāng)然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用 VCC 或者 GND），可節(jié)省一根線，稱之為三線制變送器，如圖 所示。 其實大家可能注意到 4~20mA 電流本身就可以為變送器供電，如圖 所示。變送器在電路中相當(dāng)于一個特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在 4~20mA 之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接 2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為 4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有 4mA 供電。這使得兩線制傳感器的設(shè)計成為可能。 在工業(yè)應(yīng)用中，測量點一般在現(xiàn)場，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。 二線制能節(jié)約大量的導(dǎo)線從而降低成本， 因此在應(yīng)用中兩線制傳感器必然是首選。傳感器 變送器24V4~20mA 圖 四線制變送器 2 傳感器 變送器24V4~20mA 圖 三線制變送器 傳感器 變送器24V4~20mA 圖 二線制變送器 3 1 緒 論 概述（課題來源及意義） 近年來計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得儀器、儀表向自動化、多功能化方向發(fā)展，特別是目前發(fā)展較快的總線技術(shù)要求變送器（或傳感器）具有良好的可靠性和更高的精度。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，自動化系統(tǒng)不 斷的大型化和復(fù)雜話，從過去以生產(chǎn)過程運行穩(wěn)定性為目的轉(zhuǎn)變?yōu)榻裉齑笠?guī)模集中和最佳化控制，對變送器提出越來越高的要求。 二線制智能變送器不易受寄生熱電偶和沿電線電阻降壓和溫漂影響，在電流源輸出電阻足夠 大 時，經(jīng)磁場耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會產(chǎn)生顯著的影響，因為干擾源引起的電流干擾極小，一般利用雙絞線就能降低干擾；電容性干擾會導(dǎo)致接收器電阻有關(guān)誤差。因此，可以允許的電線長度比電壓遙測系統(tǒng)更長更遠(yuǎn)；各個單臺讀裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道間進(jìn)行換接，不因電線長度的不等造成精度的差異；將 4mA 用于零電 平，使判斷開路或傳感器順壞十分方便（ 0mA 狀態(tài)）；在兩線輸出口容易增加防浪涌，防雷擊器件，有利于安全防爆。 系統(tǒng)設(shè)計采用傳感器 加 主機(jī)構(gòu)成現(xiàn)場儀表形式，可降低系統(tǒng)成本， 實現(xiàn)功能所需。同一張傳感器制作時材料、工藝的差別，使得每只傳感器輸出信號幅值都不一樣，如同壓片式壓力傳感器，在同 樣 +5VDC 電壓供電情況下，滿量程時輸出信號在4mv~20mv 之間變化；不同作用的傳感器同樣存在輸出信號不同的問題。這給主機(jī)的設(shè)計、調(diào)試、維修帶來來了很大困難。所以，對選用輸出不同幅值的弱信號傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計一張通用的主機(jī)，實現(xiàn)信 號的變送和傳輸，可以降低系統(tǒng)成本，便于調(diào)試、維修。是相當(dāng)有必要和實用意義的。 國內(nèi)外研究概況及研究現(xiàn)狀 二線制變送器概述 自動化儀表主要由檢查儀表和控制儀表兩大部分組成。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模越來越大，相應(yīng)的自動化管理系統(tǒng)日趨負(fù)載。由于技術(shù)機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展和廣泛應(yīng)用，近 10 年來在控制系統(tǒng)方面有了很大進(jìn)展。控制系統(tǒng)的各功能環(huán)節(jié)在信息的傳送、管理和超重上緊密配合，形成了高度負(fù)載的分散型過程控制系統(tǒng)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)價格的大幅度下降， PC 機(jī)和各種單片機(jī)在工業(yè)和各行業(yè)應(yīng)用日益廣 泛。在控制網(wǎng)絡(luò)中，各種測量儀表往往用單片機(jī)作數(shù)據(jù)處理單元，而在主控室，有微機(jī)對整個生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的顯示、存儲和匯總。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展，測量系統(tǒng)也逐漸發(fā)展，使得智能儀表的發(fā)展也越來越迅速。這樣就使常規(guī)的模擬儀表 4 日薄西山。 DCS、工業(yè)控制計算機(jī)（ IPC）、 PLC、可編程單回路調(diào)節(jié)器等基本上主宰了這一領(lǐng)域。 過程控制系統(tǒng)有以下幾種發(fā)展趨勢： 1. 控制中心向現(xiàn)場轉(zhuǎn)移 傳統(tǒng)過程控制系統(tǒng)中的回路級或裝置級的控制功能將下放到現(xiàn)場，使系統(tǒng)成為真正的、徹底分散的系統(tǒng)。 2. 開放系統(tǒng)的實現(xiàn) 開放系統(tǒng)要求互聯(lián)性 和互操作性，即不同廠家生產(chǎn)的儀表、裝置應(yīng)能在一個系統(tǒng)中協(xié)同工作。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與軟件技術(shù)的高速發(fā)展給開放系統(tǒng)帶來了曙光。DI 哦那個是（ Control System International Inc）退出一直 UCOS（用戶可配置開放系統(tǒng)） DCS，他采用可來自多方廠商的商用軟硬件和商用網(wǎng)絡(luò)，操作系統(tǒng)采用Windows NT，非專利的現(xiàn)場控制單元可提供多任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)直接訪問能力，與器連接的 I/O 子系統(tǒng)亦可來自多方廠商。毫無疑問，這種系統(tǒng)將成為真正的開放系統(tǒng)。 3. 智能控制技術(shù)將得到進(jìn)一步應(yīng)用 專家系統(tǒng)、模糊控制 、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制技術(shù)，已在直接數(shù)字控制及優(yōu)化控制中得到了初步應(yīng)用。目前，在控制領(lǐng)域中，智能控制理論與技術(shù)是一個研究的熱點，這種研究“熱”無疑將會使智能控制技術(shù)的應(yīng)用水平得到較快的提高。 4. 多媒體技術(shù)的應(yīng)用 多媒體技術(shù)無疑可以引入過程控制領(lǐng)域。操作員、工程師將可以坐在控制室里，從 DCS 的計算機(jī)屏幕上看到現(xiàn)場的真實畫面，聽到來自現(xiàn)場的聲音，以此來監(jiān)視設(shè)備的關(guān)鍵部位。由于智能儀表和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，過程控制的主流系統(tǒng) DCS的結(jié)構(gòu)將發(fā)生轉(zhuǎn)折性變化，控制功能項現(xiàn)場轉(zhuǎn)移和分散，專利系統(tǒng)將向用戶可配置（集成） 的開放系統(tǒng)過渡。這種功能向現(xiàn)場轉(zhuǎn)移和分散，專利系統(tǒng)將向用戶可配置（集成）的開放系統(tǒng)過渡。這種控制系統(tǒng)的發(fā)展使智能系統(tǒng)成為當(dāng)今控制系統(tǒng)發(fā)展的熱點。由于控制系統(tǒng)的快速發(fā)展，而測量系統(tǒng)的進(jìn)展卻很小，使之難于滿足先進(jìn)的控制系統(tǒng)要求。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是近年來由于低功耗、多功能單片微處理器、高精度 Σ△ 、 A/D 與 D/A 變換器的面世，為研制通用型高精度智能變送器打下了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。對于諸如溫度、濕度、流量、位移等物理量的測量與控制，如何提高系統(tǒng)的可靠性與精度，減少外部鏈接線，對于量程浮動、輸出信號可遠(yuǎn)傳 和隨量程線性轉(zhuǎn)移，以及一機(jī)多用 —— 即以統(tǒng)一檢測模板用于不同物理量的檢測場合，并滿足多種線性與非線性輸入信號的精度要求等課題，已越來越為廣大科技人員所關(guān)注。同時世界上一些主要的儀表制造廠相繼研制陳宮了帶微處理機(jī)構(gòu)的各種智能變送器，開創(chuàng)了“智能式”變送器的新階段。 智能變送器的研究現(xiàn)狀 變送器是工業(yè)過程重要的基礎(chǔ)自動化設(shè)備之一。主要完成物理信號的測量和變換處理。隨著高參數(shù)、大容量設(shè)備的增加和過程工藝的復(fù)雜話。對自動化設(shè)備的依賴性 5 越來越大，變送器用量不斷增多，要求不斷提高。目前普通使用的變送器是以 70 年代統(tǒng)一的 4~20mA DC 模擬信號標(biāo)準(zhǔn)傳送信號的二線制變送器（國內(nèi)還有少量四線制0~10mA DC 信號變送器）。它們在傳送信號時，模擬信號不能簡單疊加，信道為一對一，即一（或二）對導(dǎo)線上只能 傳輸一個變送器輸出信號，且只能單向傳輸。智能變送器即在變送器本體內(nèi)直接使用微處理器芯片，對被測物理量進(jìn)行數(shù)化處理，并增加數(shù)字通信接口，可以直接與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通信。使用數(shù)字通信的信道復(fù)用技術(shù)和低功耗電路，使多個變送器可共用同一條通信總線并進(jìn)行雙向通信，大大減少了現(xiàn)場信號引線。微處理器直接對被測信號進(jìn)行數(shù)字化處理，使變送 器的測量精度和量程比大為提高，并具有診斷報警功能，還可克服溫漂和各種零漂影響，有點還具有 PID 輸出等高級處理功能。通過數(shù)字雙向通信，可在控制室中對變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、標(biāo)定和組態(tài)，因此智能變送器的性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通變送器，近 10 年來在國外已獲得日益廣泛的應(yīng)用。 1983 年，美國 Honeywell 公司將第一個稱為 Smart 變送器的 STJ3000D 壓力變送器推入了美國國內(nèi)市場，使智能變送器進(jìn)入了商品話。隨后美國的 Rosemount, Foxboro 等一些公司在 1986 年美國儀表協(xié)會（ ISA）的會議上爭相退出了一些稱 為Smart 變送器的新型智能變送器系列。這類變送器具有適應(yīng)各種新應(yīng)用的能力克服了以往模擬變送器準(zhǔn)確度不夠高、飄逸過大、量程有限、維護(hù)和維修費用打等一些補(bǔ)助。由于這類變送器內(nèi)部都有微處理器，采用了數(shù)字集成化測量方式，不僅能輸出 4~20mA的模擬信號，而且還能輸出數(shù)字信號，實現(xiàn)了現(xiàn)場和控制室之間進(jìn)行雙向數(shù)字通信。這一典型的數(shù)字通信功能縮小了測量技術(shù)與控制技術(shù)之間的差距。如果采用這種數(shù)字式集成化測量與控制方式，就能消除許多與模擬電路有關(guān)的誤差源，因此能達(dá)到更高的性能標(biāo)準(zhǔn)。例如總的測量回路可以不用數(shù) ——模轉(zhuǎn)換盒模 ——數(shù)轉(zhuǎn)換器。 由于智能變送器采用先進(jìn)的傳感技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)以及數(shù)字通信技術(shù)，加上采用超大規(guī)模離子注入技術(shù)及超精細(xì)加工工藝技術(shù)，它的優(yōu)點是一般變送器無法比擬的； （ 1） 具有 4~20mA DC 或數(shù)字信號輸出功能 （ 2） 有較高的精度和較好的重復(fù)性。一般智能變送器 %? ，如工作在數(shù)字方式下則更高。另外由于智能變送器有環(huán)境溫度及靜壓補(bǔ)償，不受日夜、冬夏溫差變化的影響，具有很好的重復(fù)性。 （ 3） 寬量程比。智能變送器量程比普遍達(dá)到 40： 1 以上，而普通變送器一般為10： 1。寬量程比可使得變送器本 身的實用性，通用性得以提高，給用戶及設(shè)計者帶來方便，減少備用表數(shù)量及種類。 （ 4） 完善的自診斷功能。通過通信器可查出變送器自身診斷的故障信息。 （ 5） 通過 DCS 或通信器可遠(yuǎn)程隊變送器編程、組態(tài)、檢查和效驗。 智能變送器的發(fā)展與傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是分不開的。新一代的變送器必然是全數(shù)字化的。具有通訊功能是智能變送器的共同特點。用通訊方法將測量結(jié)果送入操作站，不會損失精度。因此，比模擬信號通過 A/D 進(jìn)入操作站更有優(yōu)勢。這種智能變送器給用戶帶來了極大的方便。它可以通過一個 SFC 智能現(xiàn)場通訊器對安裝在現(xiàn)場的變送器進(jìn)行組 態(tài)，變更、校準(zhǔn)、自診斷，還可以將現(xiàn)場變送器作為一個4~20mA 的恒流源來使用（也是通過現(xiàn)場通訊器來實現(xiàn)）。另外智能變送器組態(tài)的內(nèi) 6 容包括遠(yuǎn)程設(shè)定變送器標(biāo)號，線性輸出或是方根輸出，測量范圍，阻尼時間常數(shù)等。變更測量范圍時，不需要把變送器從過程線管上拆下來，也不需要對變送器送入差壓信號或壓力信號，只需要通過 SFC 鍵盤的簡單操作就可實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)定、變更和校準(zhǔn)。這樣一來就大大減少了工廠檢修停工期和縮短維修時間。智能變送器的自診斷功能也給使用和維修帶來了不少實惠，比 如 JTD200 型變送器，自診斷的內(nèi)容包括組態(tài)檢查、通訊檢 查、變送器工作檢查、過程異常檢查等。診斷顯示有 27 種形式，通過這些顯示立即可以識別問題所在區(qū)段。智能通訊器和現(xiàn)場變送器通訊的方式各家公司是不一樣 ，有點是無線的，有的是將通訊信號子以調(diào)制，通過 4~20mA 的直流信號線進(jìn)行傳送。微機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)將會進(jìn)入越來越多的儀表。如上所述智能變送器具有很多優(yōu)點，因此它最適用于測量范圍變化較大、環(huán)境條件較差而要求測量精度高和采用數(shù)字通信的大型控制系統(tǒng)及特殊應(yīng)用場合。 7 2 二線制變送器系統(tǒng)介紹 智能變送器概述 智能式變送器是由傳感器和微處理器相結(jié)合而構(gòu)成的。它充 分利用了微處理器的運算和存儲能力，可對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對測量信號的調(diào)理（如濾波、放大、 A/D 轉(zhuǎn)換等）、數(shù)據(jù)顯示、自動校正和自動補(bǔ)償?shù)取? 微處理器是智能變送器的核心。它不但可以對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、存儲和數(shù)據(jù)處理，還可以通過反饋回路對傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使得采集數(shù)據(jù)達(dá)到最佳。由于微處理器具有各種軟件和硬件功能，因而他可以完成傳統(tǒng)變送器難以完成的任務(wù)。所以智能式變送器還具有以下特點： 具有自動補(bǔ)償功能，可通過軟件對傳感器的非線性、溫漂、時漂等進(jìn)行自動補(bǔ)償?？勺栽\斷，通電后可對傳感器進(jìn)行自檢，以檢測傳感器各 部分是否正常，并作出判斷。數(shù)據(jù)處理方便準(zhǔn)確，可根據(jù)內(nèi)部程序自動處理數(shù)據(jù)，如進(jìn)行統(tǒng)計出來、去處異常數(shù)值等。 具有雙向通信功能。微處理器不但可以接受和出來傳感器數(shù)據(jù)，還可將信息反饋至傳感器，從而對測量過程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制?？蛇M(jìn)行信息存儲和記憶，能存儲傳感器的特征數(shù)據(jù)、組態(tài)信息和補(bǔ)償特性等。 具有