基于单片机的智能传感器设计(含外文翻译(编辑修改稿)

基于单片机的智能传感器设计(含外文翻译(编辑修改稿)内容摘要：

现场仪表信号的传输方式经历了模拟信号传输方式、模拟数字混合信号传输方式、全数字信号传输方式三个阶段。 本世纪 40 年代， 过程控制仪表基于气动信号 ， 60 年代先后引入 0～ 10mA和 4～ 20mA 模拟电流信号标准，这两个标准对仪表工业发展发挥了巨大作用。 DDZIII 型模拟仪表皆以 4～ 20mADC 信号作为现场信号传输标准。 现场变送器将检测信号变换为 4～ 20mADC 信号，经双绞线送入控制室内的控制器中，经控制运算之后，将其输出变换为 4～ 20mADC 信号，传输给现场执行器件，完成过 程控制。 4～ 20mA DC 作为信号传输标准，系统响应快，简单通用是其主要优点。 但其传输精度不高，易受干扰，一对电缆线上只能单方向传输单一信息，不仅使电缆用量大，而且也出现了信息传输的“瓶颈”现象。 1986 年 ,Rosemount 公司提出了 HART 通信协议 (Highway Addressable Remote Transducer)即可寻址数据通道远传传感器。 HART 通信协议参照国际标准化组织 (ISO)制定的“开放系统互联模型 (OSI)”，简化使用了其第 7层，即物理层、 数据链路层及应用层。 在其物理层中， HART 协议采用了基于BELL202 通信标准的频移键控技术 (FSK)，使数字信号调制后叠加于 4～20mADC 信号上，数字信号使用 1200Hz 和 2200Hz 两个不同的频率分别对应数字 1 和数字 0，通信时频率变化的平均分量为 0，使数字信号和模拟信号互不影 xx 大学学士学位论文 5 响。 HART 协议的智能变送器输出信号波形如图 11 所示。 1200Hz “1” 2200Hz “0” 图 11 HART 协议智能变送器输出信号波形 由于 HART 协议采用了 4～ 20mADC 信号和数字信号的混合传输方式，使其不仅可利用 4～ 20mA DC 信号而且可利用同一电缆利用数字信号实现双向多信息传输，从而达到诸如修改量程、阻尼时间、 PID 参数等目的，进而可提高系统的运行质量和管理效率，降低操作和运行成本。 另外，数字信号的应用，使现场智能变送器部分地采用了“明天的技术”，将 PID 调节、流量积算、设定值程序发生、曲线设定等功能下放到 HART 智能变送器中，实现控制功能下放。 其次，由于 HART 协议采用了 OSI 的简化模型，使不同厂家生产的 HART协议产品具有一定 的开放性，大大方便了用户的选用。 HART 协议是公开的，世界上已有 70 多家公司宣布接受这一协议，如Foxboro、 ABB、 TOSHIBA 等，并组成了 HART 用户组织 HUG（ HART User Group）。 据 1994 年统计，世界上遵守 HART 协议的产品市场占有率约为 70%左右。 HART 协议采用了 4～ 20mA DC 信号和数字信号进行信息传输，与传统的4～ 20mA DC 信号兼容，实现了双向数字通信，可进行总线式连接而节省电缆，比 4～ 20mA DC 信号传输方式的控制系统有了很大进步。 但它 有不足之处，一是速度慢，数字的通信波特率仅为 1200bps；二是 HART 协议智能仪表只能固定担当系统中“主”或“从”设备中一个，属主从式通信，仅适用于那些对通信速度要求不高的场合 [16]。 自 80 年代起，微处理器、计算机网络和通信技术取得了长足进展。 微处理器与传感器、执行器相结合涌现了大量的智能化、数字化变送器和执行装置。 数字化无可置疑的优点，导致了取代 4~20mA DC 的强烈要求，促使发达国家纷纷推出了各自的数字总线和现场网络。 现场总线的概念应包含以下两方面内容： ，是一种全 数字化、双向、多信息、多主站通信规程的应用技术，它要保证连接可互操作 （ interoperable） 产品，能把控制功能分散到现场装置中，并能实现 数字形式宽范围通信。 + 0mA xx 大学学士学位论文 6 ，供应商提供各种可互操作的产品，如控制系统、测量仪表和执行装置，用户可自由选择不同厂商的产品，利用现场总线构成自己所需的自动化系统。 开放性是现场总线的主要标志之一。 尽管现场总线国际标准进展不如想象中快，但最终其标准是必将建成的。 一旦现场总线标准制订完成，势必引起控制系统一场革命，其影响将超过 50 年代末由旧式模拟仪表 向电动或气动单元组合仪表转换的影响，和超过 80 年代从电子模拟仪表转到 DCS 那样大的深度。 现场总线产品的应用势必开辟控制领域新纪元，并对自动化产品市场及控制系统的体系结构和设计方法产生很大的冲击。 毫无疑问，数字化传输是现场变送器信号传输的发展趋势。 不同传输方式的数字化变送器框图如图 12 所示。 图 12 数字化变送器框图 在数字传输方面，有现场总线国际标准，但限于资料和开发工具限制，还不能按其标准进行设计工作。 考虑到实际情况，本人认为有 RS—485 和 CAN总线两种，较易进行开发，也能满足使用要求。 尽管 CAN 总线有许多优点，但CAN 总线开发、使用费用要高于 RS— 485 总线，从经济性考虑，设计采用RS—485 总线。 本论文的主要工作 在充分了解国内外变送器发展动态的前提下，结合现场控制系统的现状，设计了现场总线通信协议，研制了相应的硬件装置，完成了软件的设计与实现，进行了系统联网实验。 具体内容如下： ，设计 自适应增益 模拟信号高精度放大电路； ADC 和 DAC 芯片，进行接口设计，送入微处理器进行数 据采集处理，输出模拟 4～ 20mADC 标准信号，以达到与模拟变送器兼容； D/A CPU A/D 传感器 4~20mA DC 信号 Field 接口 CPU A/D 传感器 数字信号 模拟信号传输数字化变送器 数字化传输变送器 xx 大学学士学位论文 7 RS— 485 总线接口，设计通信协议，实现信号的数字化传输； ； 、看门狗、存储器电路设计； ；。 xx 大学学士学位论文 8 第 2章 硬件电路设计 变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。 主要完成物理信号的测量和换处理。 随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂．对自动化的依赖越来越大，变送器用量不断增多．要求不断提高。 模拟式变送器主要是由运算放大器、电阻、电容等器件构成，功能较单一，主 要起信号放大、变换作用。 近年来随着微电子技术的飞速发展，尤其是近年来由于低功耗、多功能单片微处理器、高精度 A/D 与 D/A 变换器件的面世，为研制通用型高精度智能变送器打下了扎实的物质基础。 智能变送器都是以 CPU 为核心构成的数字化仪表，工作原理如图 21 所示。 图 21 变送器工作原理图 智能变送器采用 CPU 后，不仅可对温度、湿度、流量、位移等物理 量进行测量与变送，还能大大提高系统的可靠性与精度， 实现一机多用。 本论文智能变送器的硬件电路设计主要包括单片机选择、弱信号增益自 调节电路设计、 A/D 转换器选择及接口电路设计、 D/A 转换器电路选择及接口设计、看门狗电路、存储器电路设计、 RS— 485 总线接口电路设计、 4～ 20mA 转换电路设计、键盘和显示器接口电路设计等。 硬件设计原理框图如图 22 所示。 下面分节给予介绍。 图 22 硬件原理设计框图 由传感器将非电量信号变换为电量信 号 进 行 放大、滤波等变换电路 CPU 进行数据采集处理 将 过接口电路 进 行 显示、信号远传 CPU TLC 25 43 增益调节电路 增益调节电路 传感器 传感器 看门狗、存储器电路 DAC0832 V/I 光隔 RS485 接口 键盘、液晶显示电路 4~20mA xx 大学学士学位论文 9 单片机选择 因 MCS— 51 系列单片机已被国内用户广泛认可和应用，货源充足，资料丰富，仿真工具种类繁多且成熟，因此设计选用 ATMEL 公司生产的 80C52 单片机，其本身具有 8051CPU 内核，片内 256 字节 RAM、特殊功能寄存器 SFR、时钟频率 、 3 个 8 位并行 I/O 口、 2 个 16 位定时计数器、全双工串行口、布尔处理器 、 4 层优先级中断结构 ， 兼容 TTL 和 CMOS 逻辑电平。 硬件扩展方便，用途广泛 [2]。 输入信号增益自调节电路设计 目前现实应用中存在很多非标准的传感器，其应用存在两个问题： 0～ 5V、 4～ 20mA 等标准信号，而是 mV 级直流弱信号， 经运 算 放 大器 放大后才能达到通常的 A/D 转换器需要的 0～ 5V 信号要求。 情况下，信号幅值不一致，如同批次某应变片式压力传感器，在同一 +5VDC 电压供电情况下，满量程时输出信号在 ～ 之间变化；不同作用的传感器同样存在输出信号不一致的问题。 在多传感器应用系统中，给运放电路设计、调试、维修带来了很大困难。 所以，论文对选用输出不同幅值的弱信号的多传感器应用系统，设计一种通用的能够根据传感器输出信号满量程幅值自动调节增益的运算放大电路。 设计思路为：在变送器工作现场利用键盘输入所使用的传感器输出信号的满量程幅值或由上位机通过远程通信方式将传感器输出信号的满量程幅值下载到变 送器中，变送器CPU 根据该幅值大小，自动计算所需运放增益，达到增益自动调节目的。 可变增益放大器的增益改变方式主要有人工 (或机械 )和程控两大类，具体方法有多种，每种方法各有其优点和局限性。 从理论上讲改变集成运算放大器 (运放 )的反馈电阻或输入电阻，即可改变放大器的增益。 有以下三种方法： 非易失性数控电位器克服了模拟电位器的主要缺点，无噪声、寿命长、阻值可程控改变、可设定阻值掉电记忆，步进阻值小，增益接近线性。 DAC 改变电阻 电流输出型 DAC 内含 R─2R电阻网络，可以作为 运放的反馈电阻或输入电阻，在 DAC 输入数据的控制下，实现放大器增益的程控改变。 用不同阻值的固定电阻 ，将其分别接入运放的输入回路，以此来达到改变输入电阻的目的，从而实现对信号的放大或衰减，即改变放大器的增益。 缺点是多路模拟开关的导通电阻影响放大器的增益。 本设计采用 第一种 方法，即用非易失性数控电位器和高精度运放组成程控增益放大器。 由新型的集成仪表放大器 AD623 和非易失性数控电位器 X9241 组成。 采用程控改变运放的反馈电阻来实现可变增益的放大器。 非易失性数控电 xx 大学学士学位论文 10 位器克服了模拟电 位器的主要缺点，无噪声，寿命长，阻值可程控改变，可设定阻值掉电记忆。 设计采用的电路具有增益范围宽、成本低，适用做单片机数据采集系统的传感器与 ADC 之间的信号放大器。 增益自调节电路原理如图 23所示： R G I N I N +VR G +V+O U T P U TR E FR?V C CV W 3V L 3VH3A1A3S C LV W 2VH2V L 2V W 0V L 0VH0A0A2V W 1V L 1VH1S D AV s sR?x 92 4 1A D 6 23V C COUTV C CS C LV C CV C CS D A 图 23 增益自调节电路 下面简要介绍所用芯片 AD623 与 X9241。 AD623 是一个集成单电源仪表放大器，该芯片内含 3 个运算放大器，它能在单电源下提供满电源幅度的输出。 AD623 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好的用户灵活性，且符合 8 引脚的工业标准配置。 在无外接电阻的条件下， AD623 被设置为单位增益，在接入外界电阻后， AD623 可编程设置增益，且其增益最高可达 1000 倍。 AD623 通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比而保持最小的误差。 线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达 200HZ 时仍保持恒定而受到抑制。 AD623 具有较宽的共模输入范围，它可以放大具有低于低电平 150mv 的共模电压的信号。 特别适合模块化电路应用，且在最小的空间内提供很好的线性度、温度稳定性和可靠性。 输入信号加到作为电压缓冲器的 PNP 晶体管上，并且提供一个共模信号到输入放大器。 每个放大器接入一个精确的 50kΩ的 反馈以保证增益可编程。 差分输入为： xx 大学学士学位论文 11 =(1+ )。