【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)字量接口輸出功能，可將輸出的信號方便地和計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場總線進(jìn)行連接。 變送器分類 變送器種類很多，總體來說就是由變送器發(fā)出一種信號來給二次儀表使二次儀表顯示測量數(shù)據(jù)，將物理測量信號或普通電信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號輸 出或能夠以通訊協(xié)議方式輸出的設(shè)備。儀表分為：溫度 /濕度變送器，壓力變送器，差壓變送器，液位變送器，電流變送器，電量變送器，流量變送器，重量變送器等。 變送器的在傳輸方式上分為二線制、三線制、四線制等幾種傳輸模式。 二線制傳輸方式中，供電電源，負(fù)載電阻、變送器都是串聯(lián)的，即兩根導(dǎo)線同時(shí)傳送變送器所需的電源盒輸出電流信號；二線制變送器原理圖如圖 所示。 8 +變送器電源 模塊IN+INANL COM 圖 二線制變送器原理圖 三線制方式中，電源正斷和信號輸出的正斷，它們共用一個(gè)地線，電流信號是從I+和 V兩端得到的。三線制原理圖如圖 所示。 +變送器電源 模塊IN+INANL COMGND 圖 三線制變送器原理圖 四線制方式中，供電電源、負(fù)載電阻分別與變送器相連的，即供電電源和變送器輸出信號分別用二根導(dǎo)線傳輸。四線制變送器原理圖如圖 所示。 兩線制是指現(xiàn)場變送器與控制室儀表聯(lián)系僅用兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線即使電源線，又是信號線。兩線制與三線制（一根正電源線，兩根信號線，其中一根共 GND）和死線制（兩根正負(fù)電源線，兩根信號線，其中一根 GND）相比，二線制具有較多的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。 9 +變送器電源 模塊IN+INANL COM 圖 四線制變送器原理圖 二線制變送器特點(diǎn) 二線制變送器有如下特點(diǎn)： （ 1） 不易受寄生熱 電偶和沿線電阻壓降和溫漂影響，可用非常便宜的更細(xì)的導(dǎo)線； （ 2） 在電流源輸出電阻足夠打時(shí)，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?yàn)楦蓴_源引起的電流極小，一般利用雙絞線就能降低干擾； （ 3） 電容性干擾會導(dǎo)致接受器電阻有關(guān) 誤差，對于 4~20mA 環(huán)路，接受器電阻通常為 250Ω（取樣 Uout=1~5v）這個(gè)電阻小到不足以產(chǎn)生顯著誤差，因此，可以允許的電線長度比電壓遙測系統(tǒng)更長更遠(yuǎn)； （ 4） 各個(gè)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； （ 5） 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)）； （ 6） 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。 二線制變送器電流環(huán)中供電電源、負(fù)載電阻、變送器是串聯(lián)的，即兩根導(dǎo)線同時(shí)傳送變送器所需的電源和輸出電流信號，所以設(shè)計(jì)二線制變送器需注意以下幾點(diǎn)； （ 1） 電壓條件：在變送器電流環(huán)路中，一般取 R=250Ω。當(dāng) I=4~20mA 時(shí)，U1=1~5V?？紤]到可能會串接其他儀表，以及傳輸電纜的導(dǎo)線電阻， R 的最大值取350Ω，因此最大消耗電源為 7V。而外接電源一般為 24V DC，允許有 %10? 的變化，所以外接電壓最小為 ，變送器輸入電壓最小為 （ ~7V），所以變送器工作電壓不能超過此電源?？紤]到電流表等的壓降，變送器內(nèi)的一個(gè)期間的電壓最好為 5V 以下。 （ 2） 電流條件：由于變送器最小輸出信號電流為 4mA，變送器中各器件功率電流要小于 4mA。 （ 3） 功率條件：變送器能夠利用的小功率為： mARIEIP 4)(m in ???? mWmAV )3 5 ( ???? 為保證變送器在此條件下能正常工作，電路設(shè)計(jì)中也應(yīng)選用低功率小電流的集成 10 運(yùn)放和穩(wěn)壓管，而且整個(gè)電路要 盡量簡單，才能使變送器的電源，電流、功率條件得到滿足。 設(shè)計(jì)目的和要求 在充分了解國內(nèi)外變送器發(fā)展動態(tài)的前提下，結(jié)合實(shí)際的現(xiàn)狀，研制了相應(yīng)的硬件裝置，完成了軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 （ 1） 選擇合適的處理器及外圍電路芯片，進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，通過硬件將非線性模擬量轉(zhuǎn)換成線性模擬量。 （ 2） 將線性模擬量轉(zhuǎn)換成 4~20mA 電信號送入微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。 （ 3） 通過單片機(jī)采集數(shù)據(jù)并在液晶屏上顯示出來。 設(shè)計(jì)要求為， 1000?~2022?對應(yīng)的電流輸出為 4~20mA，變換精度優(yōu)于 1%，變換非線性度優(yōu)于 2%，輸出傳輸線的長度不小于 1m。信號發(fā)生部分要求能夠?qū)⑤斎腚娏髁哭D(zhuǎn)換成電阻量并采用數(shù)碼顯示，顯示分辨率為 1?。 11 3 二線制變送器硬件設(shè)計(jì) 普通電路的設(shè)計(jì) 變送器按傳輸方式有二線制、三線制和四線制等三種方式。根據(jù)傳輸方式設(shè)計(jì)不同的電路。這三種傳輸方式的電路如圖 、 、 所示。 傳感器 變送器24V4~20mA 圖 四線制變送器 傳感器 變送器24V4~20mA 12 傳感器 變送器24V4~20mA 圖 三線制變送器 圖 二線制變送器 二線制電路傳送器的 6 大全面保護(hù)功能 （ 1） 輸入過載保護(hù)； （ 2） 輸出過流限制保護(hù)； （ 3） 輸出電流長時(shí)間短路保護(hù)； （ 4） 兩線制端口瞬態(tài)感應(yīng)雷與浪涌電流 TVS 抑制保護(hù)； （ 5） 工作電 源過壓極限保護(hù) V35? ； （ 6） 工作電源反接保護(hù)。 三線制和四線制變送器均不具有上述優(yōu)點(diǎn)即將被兩線制變送器取代，從國外的行業(yè)動態(tài)及變送器芯片供應(yīng)量即可略知一二，電流變送器在使用時(shí)要安裝在現(xiàn)場設(shè)備的動力線上，而單片機(jī)為核心的檢測系統(tǒng)則位于較遠(yuǎn)設(shè)備現(xiàn)場的監(jiān)控室里，兩者一般相距幾十米到幾百米甚至更遠(yuǎn)。設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，強(qiáng)電信號會產(chǎn)生各種電磁干擾，雷電感應(yīng)會產(chǎn)生強(qiáng)浪涌脈沖，在這種情況下，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中遇到的一個(gè)棘手的問題就是如何惡劣的環(huán)境下遠(yuǎn)距離得傳送微小的信號。 二線制變送器電路原理分析 二線制變送器是通過信號線提供驅(qū)動電源的變送器，采用二線制變送器可以節(jié)省電源線。二線制變送器首先被壓差變送器采用。差壓變送器一般分散分布在龐大的工廠內(nèi)，采用二線制變送器，大大降低了施工費(fèi)用。例如在露天分布有大量儲藏罐的罐區(qū)，由于儲藏罐分布很散，而且很多都不能接電源，這種情況下采用無需供電的二線制變送器就非常方便。二線制變送器的信號是大家都很熟悉的 4~20mA 直流電流信號。該 4~20mA 直流信號的抗噪訊能力很強(qiáng)，即使在有電力設(shè)備的環(huán)境下都可以保證 13 信號的穩(wěn)定傳送。如果采用電壓信號，例如 DC010V 的信號線加上 10V 的噪訊電壓10V，信號線上的信號將增加一倍。而二線制變送器的輸出端子側(cè)得變送器內(nèi)部的阻抗值至少有 1MΩ，因此噪訊電壓 10V 加在受信阻抗上的電流值 I 如式 31 所示： ：（ 31） 相對于量程 20mA，影響只有 1/2022。這是二線制變送器的優(yōu)越之處。 二線制變送器的接線圖如圖 所示。信號回路上是 4~20mA 的電流信號。二線制變送器利用輸入信號 0%對應(yīng) 4mA 的直流電流動作。信號為 100%時(shí)，變送器就在4mA 上加上 16mA 將回路的信號控制在 20mA。二線制變送器內(nèi)部控 制使 輸出信號 4~20mA 的輸入信號成正比。因?yàn)槎€ 制變送器本身就有 V1 的壓降，所以信號回路的受信阻抗的最大值為（ DC24VV1） /20mA。 2504~20mA信號回路V124V 圖 二線制變送器接線圖 二線制變送器的原理是利用了 4~20mA 信號為自身提供電能。如果變送器自身耗電大于 4mA，那么將不可能輸出下限 4mA 值。因此一般要求二線制變送器自身耗電（包括傳感器在內(nèi)的全部電路）不大于 。這死兩線制變送器的設(shè)計(jì)根本原則之一。從整體結(jié)構(gòu)上來看，兩線制變送器由三大部分組成：傳感器、調(diào)理電路、兩現(xiàn)在V/I 變化器構(gòu)成。傳感器將溫度壓 力信號進(jìn)行放大調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。兩線制 V/I 變化電路根據(jù)信號調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流；同時(shí)從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調(diào)理電路和傳感器使用。除了 V/I 變化電路之外，電路中每個(gè)部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設(shè)計(jì)思想是將所有的電流都包括在 V/I 變化的反饋環(huán)路內(nèi)如圖 。 mAAAI )( 56 ??? ? 14 4~20mA24VRsVccVccVoVoVoVi Vi傳感器調(diào)理電路兩線制變換電路V/I電壓反饋 圖 二線制變送器原理圖 采樣電阻 Rs 串聯(lián)在電路的低端，所有的電流都將通過 Rs 流回到電源負(fù)極，從Rs 上取到的反饋信號，包含了所有電路的耗電。在兩線制變送器中，所有的電路總功耗不能大于 ，因此電路 的低功耗成為了主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。下面將逐一分析各個(gè)部分電路的原理與設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 根據(jù)題目要求，經(jīng)過認(rèn)真分析，我們制定出了總體的設(shè)計(jì)方案，如圖 所示。通過改變惠斯通電橋的一個(gè)單橋臂的阻值在 1000Ω~2022Ω范圍變化時(shí)，得到一可變電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路，形成 ~2V 的電壓信號 ,此電壓信號經(jīng)過電流變送器后產(chǎn)生 4～ 20mA 電流信號輸出。電流接收電路將電流轉(zhuǎn)換成 1～ 5V 電壓 信號 ,再將 1~5V 電壓信號送入 ADC 芯片進(jìn)行模數(shù)信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理 ,并用液晶顯 示器顯示電阻值。如圖 所示。 惠斯通電橋信號調(diào)理電路基準(zhǔn)電壓電流變送電路電源電路電流接收電路基準(zhǔn)電壓AD 電路 單片機(jī)LCD 顯示器5 V3 . 3 v24 v4 20 mA 0 5 V 圖 系統(tǒng)方框圖 電源部分為各部分電路提供直流供電 ,由于電源的不穩(wěn)定會對整個(gè)系統(tǒng)前端的電橋電路、信號調(diào)理電路及后端的 ADC 轉(zhuǎn)換等電路的輸出精度有較大影響，故電路中使用了兩個(gè)基準(zhǔn)電壓電路，為系統(tǒng)前端和后端相關(guān)電路提供穩(wěn)定的恒壓源。 從圖 中可以看出，由于二線制電流變送器及其前端所有器件消耗的電流均最后匯集到一點(diǎn)流出，此點(diǎn)也是 4～ 20mA 電流信號流出點(diǎn)，如果電流變送器及前端所有的電路消耗電流值超過了 4mA，則變送器將不能在產(chǎn)生所需的最低 4mA 電流輸出，故此 15 處應(yīng)努力 控制變送器及前端所有電路消耗的電流值不超過 4mA，最好控制在 以內(nèi)。所以電路中應(yīng)盡量選用低功耗的芯片及其它元件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)電路 原理及設(shè)計(jì) 與三、四線制相比，二線制變送器最大的困難在于電源線與信號線同一條線。為保證各放大器及 CPU 工作電源的穩(wěn)定性，需要將 24V 直流電壓穩(wěn)壓后為系統(tǒng)電壓，最后還要將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號。 電源變換模塊 電源變化模塊是整個(gè)電路正常工作的集成，電源的穩(wěn)定性也直接關(guān)系著整個(gè)電路的可靠性，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在選擇使用何種電壓變換芯片時(shí)，需要考慮效率、噪聲、成 本、體積的要求，目前，常用于閥門定位器的 DCDC 轉(zhuǎn)換器有以下幾種類型：低壓差線性穩(wěn)壓器（ LDO）、電感型開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器和電荷泵等。 電壓降（ LDO）線性穩(wěn)壓器的成本低噪音低，靜態(tài)電流小，這些是它突出的優(yōu)點(diǎn)。它需要的外接元件也很少，通常只需要一兩個(gè)旁路電容。新的 LDO 線性穩(wěn)壓器可以達(dá)到以下指標(biāo)：輸出噪聲 30uV， PSRR 為 60dB，靜態(tài)電流 6uA，電壓降只有 100mV。使得它在很多場合廣泛的使用。其特性有利于改善電源電路的整體銷量，它的過流保護(hù)功能可以提升電源的安全系數(shù)。但是，其轉(zhuǎn)換效率通常低于開關(guān)型穩(wěn)壓器 。 231411AR1R2UoutUin 圖 LDO 原理 電容式電荷泵通過開關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較強(qiáng)實(shí)現(xiàn)電壓提升，采用電容器來存儲能量。電荷泵是無需電感的，但需要外部電容器。由于工作于較高的頻率，因此可使用小型陶瓷電容（ 1mF），使空間占用更小，使用成本低。電荷泵僅用外部電容即可提供 2? 倍的輸出電壓。其損耗主要來自電容器的 ESR（等效串聯(lián)電阻）和內(nèi)部開關(guān)晶體管的 RDS（ ON）。電荷泵轉(zhuǎn)換器不使用電感，因此其輻射 EMI 可以忽 16 略。輸入端噪聲可用一只小型電容濾除。它的輸出電壓是工程生 產(chǎn)精密預(yù)置的，調(diào)整能力是通過后端片上線性調(diào)整器實(shí)現(xiàn)的，因此電荷泵在設(shè)計(jì)時(shí)可按需要增加電荷泵的開關(guān)級數(shù)，以便為后端調(diào)整器提供足夠的活動空間。 轉(zhuǎn)換效率要高，靜態(tài)電流要小，可以更省電：輸入電壓要低，盡可能利用電池的潛能；噪音要小對整體電路無干擾；功能集成度要高，提高單位面積的使用效率；足夠的輸出調(diào)整能力，電荷泵不會因工作在滿負(fù)荷狀態(tài)而發(fā)燙；安裝成本低，包括周邊電路占 PCB 板面積小，接線少而簡單；具有關(guān)閉控制端，可在長時(shí)間待機(jī)狀態(tài)下關(guān)閉電荷泵，使其供電電流消耗近乎為 0。 由 LDO 原理可知， LDO 電壓的轉(zhuǎn)換效率很低 ，大約為輸出電壓與輸入的比，我們假設(shè)變送器外部電壓最低為 17V，內(nèi)部芯片工作電壓為 ，則其工作效率最大為%，上文我們提到，變送器最大的功率為 ，實(shí)際上內(nèi)部芯片能夠得到的功率為 24mW，這很大的限制的內(nèi)部芯片的選擇，而且嚴(yán)重的浪費(fèi)電能。 因此我們考慮使用開關(guān)型 DCDC 芯片作為電壓轉(zhuǎn)換芯片，開關(guān)型電壓轉(zhuǎn)換芯片的效率較高一般在 85%以上，且其輸入電壓范圍較大，能夠滿足設(shè)計(jì)的要求