（机械工程专业论文）二线制智能变送器的研究.pdf

摘要 摘要 在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以 下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传 输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是 个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为 电流对噪声并不敏感。4 - - 2 0 m a 的电流环便是用4 m a 表示零信号，用2 0 m a 表示 信号的满刻度，而低于4 m a 高于2 0 m a 的信号用于各种故障的报警。 本课题通过分析二线制、三线制、四线制变送器的各自特点，在总结典型变送 器设计思路与方法的基础上，提出了一种经济实用的二线制智能变送器设计方案。 该方案以单片机为核心，能对特殊的、非线性的传感器进行线性修正处理。主要解 决问题为二条线既要提供工作电流，又要传输测量信号，需要协调一致，不能互相 冲突；由于零点电流为4 m a ，因此必须保证整个变送器的工作电流要在3 5 m a 之 内；线制的输出电流反馈电路比较特殊，要选择合理的电路方案，保证输出电流即 工作电流不随负载与工作电压变化而变化。 关键词：单片机：智能变送器；二线制 大连交通大学。i ：程硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r i a lf i e l d ，t h ei n s t r u m e n tw i t has i g n a la m p l i f i e rt oc o m p l e t et h e c o n d i t i o n i n ga n dl o n g - t e r mt r a n s m i s s i o n ，w i l lh a v et h ef o l l o w i n gq u e s t i o n s ：f i r s t ， b e c a u s eo ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o ni st h ev o l t a g es i g n a lt r a n s m i s s i o nl i n ew i l lb en o i s e d i s t u r b a n c e ；s e c o n d ，t h ed i s t r i b u t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n er e s i s t a n c ew i l lv o l t a g ed r o p ； t h i r d ，h o wt op r o v i d eo n - s i t ei n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e rv o l t a g ei sa l s oap r o b l e m i n o r d e rt oa d d r e s st h e s ep r o b l e m sa n da v o i dt h ea s s o c i a t e dn o i s e ，w eu s et oc u r r e n t t r a n s m i s s i o ns i g n a l ，b e c a u s ec u r r e n ti sn o ts e n s i t i v et on o i s e 4 2 0 m ac u r r e n tl o o pi s t ou s et h e4 m az e r os i g n a lt h a t ，w i t h2 0 m a s i g n a lt h a tt h ef u l ls c a l e ，a n dl e s st h a n4 m a h i g h e rt h a n2 0 m as i g n a lf o rav a r i e t yo ff a i l u r e so ft h ep o l i c e t h i si s s u eb ya n a l y z i n gt h es e c o n d l i n es y s t e m ，t h r e e 一，f o u r - w i r et r a n s m i t t e ro f t h er e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fat y p i c a ls u m m i n gu pt h et r a n s m i t t e ra n dd e s i g n m e t h o d so nt h eb a s i so fas e c o n dl i n eo fe c o n o m i c a la n dp r a c t i c a ls y s t e mf o rs m a x t t r a n s m i t t e rd e s i g n t h ep r o g r a mi sa tt h ec o r e ，s i n g l e - c h i p ，t ot h e s p e c i a l ，n o n - l i n e a r l i n e a rs e n s o r st od e a lw i t ha m e n d m e n t s t h em a i np r o b l e mf o rt h el i n e2i st op r o v i d e c u r r e n t ，b u ta l s os i g n a lt r a n s m i s s i o nm e a s u r e m e n t ，t h en e e df o rc o o r d i n a t e da n dc a n n o tc o n f l i c tw i t he a c ho t h e r ；d u et ot h ec u r r e n tz e r of o rt h e4 m a ，t r a n s d u c e ra saw h o l e m u s te n s u r et h a tt h ew o r ki n t h ec u r r e n to f3 5 m a ；l i n et h es y s t e mo u t p u tc u r r e n t f e e d b a c kc i r c u i ti sab i ts p e c i a l ，i ti sn e c e s s a r yt oc h o o s ear e a s o n a b l ec i r c u i tp r o g r a m t oe n s u r et h a tt h ec u r r e n to u t p u tc u r r e n tw i t hn ol o a da n dv o l t a g ec h a n g e s k e yw o r d s ：m i c r o c o m p u t e r ；i n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r ；s e c o n d - l i n es y s t e m i l 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太羹童亟塞堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，出本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：去芦艨 g 期：冽0 年舞l 基 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解，太壅塞通太堂有关保护知识产权及保 麓、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属塞菱塞墨太堂，本人保证毕翌离校著，发表或使篇 论文工作成果时署名单位仍然为太董褒通太堂。a 学校有权保留并向 匿家有关部门或机构送交论文龄复印件及其电子文籀，允许论文被查 阕和借阗。 本人授权。太整塞通太堂。可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据霹进行检索，可以采用影窜、缩窜或扫描等复裁手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) ， 学位译文作者签名：壮 鬻霸：柳哆年参舞 盖瑟 导师签名： 疆豢：猢乡年参月i 瑟 学位论文作者毕监后去懑： 工作单位：沈阳铁路局沈阳职王培训基地电话：0 2 4 ，6 2 0 7 2 6 7 9 遽讯地址：沈阳市于洪区大兴街道北陈村邮编：1 1 0 1 4 9 电子信藕：g u o y i 5 13 6 y a h o o 。c o m ，c l l 第一章绪论 第一章绪论 1 1课题来源及意义 近年来计算机技术的飞速发展，使得仪器、仪表向自动化、多功能化方向发展， 特别是目前发展较快的总线技术要求变送器( 或传感器) 具有良好的可靠性和更高 的精度。随着现代化工业的发展，自动化系统不断的大型化和复杂化，从过去以生 产过程运行的稳定性为目的转变为今天大规模集中和最佳化控制，加上应用领域的 扩展，对变送器提出越来越高的要求。为此，国外许多公司已推出新型智能型变送 器。而我国在这方面发展比较滞后，因此研究和丌发智能型变送器具有重要的理论 和实际意义【1 】。 二线制智能变送器不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非 常便宜的更细的导线；在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内 的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双铰线就能降 低干扰；电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4 2 0 m a 环路，接收器电 阻通常为2 5 0 0 ( 取样u o u t = l - - - 5 v ) 这_ 个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以 允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；各个单台示读装置或记录装置可以在电 线长度不等的不同通道问进行换接，不因电线长度的不等造成精度的差异；将4 m a 用于零电平，使判断开路或传感器损坏十分方便( 0 m a 状态) ；在两线输出口容易增 设防浪涌，防雷器件，有利于安全防爆。 在实际工程应用项目中，因项目资金有限，选用市售智能变送器会大大增加项 目资金的投入，项目指标要求也许仅仅为了观测某点参数的情况，在参数越限报警 时能及时给出报警信息，还可以随应用系统要求对现场仪表进行远程的设定和故障 诊断，选用模拟变送器达不到系统要求，选用市售智能变送器会造成功能浪费。鉴 于以上原因，系统设计往往采用传感器+ 主机构成现场仪表形式，可降低系统成本， 实现所需功能。同一种传感器制作时材料、工艺的差别，使每只传感器输出信号幅 值都不一样，如同应变片式压力传感器，在同一+ 5 v d c 电压供电情况下，满量程 时输出信号在4 m v - - 2 0 m v 之l b j 变化；4 ；同作用的传感器同样存在输出信号不同的 问题。这给主机的设计、调试、维修带来了很大困难。所以，对选用输出不同幅值 的弱信号传感器应用系统，设计一种通用的主机，实现信号的变送和传输，可降低 系统成本，便于调试、维修，是相当必要和有实用意义的1 - - 4 1 。 大连交通人学j 翻翠硕十学位论文 1 2国内外研究概况及研究现状 1 2 1 二线制变送器概述 自动化仪表主要由检测仪表和控制仪表两大部分组成。随着生产的不断发展， 生产规模越来越大，相应的自动化管理系统曰趋复杂。由于计算机技术的高度发展 和广泛应用，近1 0 年来在控制系统方面有了很大进展。控制系统的各功能环节在 信息的传送、管理和操作上紧密配合，形成了高度复杂的分散型过程控制系统。随 着计算机技术的发展，微机价格的大幅度下降，p c 机和各种单片机在工业和各行 业应用日益广泛。在控制网络中，各种测量仪表往往用单片机作数据处理单元，而 在主控室，有微机对整个生产过程的数据进行统一的显示、存储和汇总。随着工业 控制系统的发展，测量系统也逐渐发展，使得智能仪表的发展也越来越迅速。这样 就使常规的模拟仪表日薄西山。d c s 、工业控制计算机( i p c ) 、p l c 、可编程单回路 调节器等基本上主宰了这一领域。 过程控制系统有以下几种发展趋势： ( 1 ) 控制中心向现场转移。传统过程控制系统中的回路级或装置级的控制功能 将下放到现场；使系统成为真正的、彻底分散的系统。 ( 2 ) 开放系统的实现。开放系统要求互连性和互操作性，即不同厂家生产的仪 表、装置应能在一个系统中协同工作。计算机网络技术与软件技术的高速发展给开 放系统带来了曙光。d i 公司( c o n t r o ls y s t e mi n t e r n a t i o n a li n c ) 推出一种u c o s ( 用 户可配置丌放系统) d c s ，它采用冗余的以太网或光纤局域网将控制台、各工作站计 算机及各现场控制单元( f c u ) 连接起来，它采用可来自多方厂商的商用软硬件和商 用网络，操作系统采用w i n d o w sn t ，非专利的现场控制单元可提供多任务和网络 直接访问能力，与其连接的i o 子系统亦可来自多方厂商。毫无疑问，这种系统将 成为真正的开放系统。 ( 3 ) 智能控制技术将得到进一步应用。专家系统、模糊控制、人工神经网络等 智能控制技术，已在直接数字控制及优化控制中得到了初步应用。目前，在控制领 域中，智能控制理论与技术是一个研究热点，这种研究“热”无疑将会使智能控制 技术的应用水平得到较快的提高。 ( 4 ) 多媒体技术的应用。多媒体技术无疑可以引入过程控制领域。操作员、工 程师将可以坐在控制室罩，从d c s 的计算机屏幕上看到现场的真实画面，听到来自 现场的声音，以此来监视设备的关键部位。由于智能仪表和现场总线技术的发展， 过程控制的主流系统d c s 的结构将发生转折性变化，控制功能向现场转移和分散， 专利系统将向用户可配置( 集成) 的j l ：放系统过渡。这种控制系统的发展又使智能系 统成为当今控制系统发展的热点。由于控制系统的快速发展，而测量系统的进展却 2 第章绪论 很小，使之难于满足先进的控制系统要求。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。对于诸如温度、湿度、 流量、位移等物理量的测量与控制，如何提高系统的可靠性与精度，减少外部连接 线，对于量程浮动、输出信号可远传和随量程线性转移，以及一机多用一一即以同 一检测模板用于不同物理量的检测场合，并满足多种线性与非线性输入信号的精度 要求等课题，已越来越为广大科技人员所关注。同时世界上一些主要的仪表制造厂 相继研制成功了带微处理机构的各种智能变送器，开创了“智能式 变送器的新阶 段。 1 2 2 智能变送器的研究现状 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变 换处理。随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂化。对自动化的依赖性 越来越大，变送器用量不断增多，要求不断提高。目前普通使用的变送器是以7 0 年代统一的4 2 0 m a d c 模拟信号标准传送信号的二线制变送器( 国内还有少量四线 制o l o m ad c 信号变送器) 。它们在传送信号时，模拟信号不能简单迭加，信道为 一对一，即一( 或二) 对导线上只能传输一个变送器输出信号，且只能单向传输。智 能变送器即在变送器本体内直接使用微处理器芯片，对被测物理量进行数字化处 理，并增加数字通信接口，可直接与计算机进行数字通信。使用数字通信的信道复 用技术和低功耗电路，使多个变送器可共用一条通信总线并进行双向通信，大大减 少了现场信号引线。微处理器直接对被测信号进行数字化处理，使变送器的测量精 度和量程比大为提高，并具有诊断报警功能，还可克服温漂和各种零漂影响，有的 还具有直接p i d 输出等高级处理功能。通过数字双向通信，可在控制室中对变送器 进行远程诊断、标定和组态，因此智能变送器的性能远优于普通变送器，近1 0 年 来在幽外已获得日益广泛的应用。1 9 8 3 年，美国h o n e y w e l l 公司将第一个称为s m a r t 变送器的s t j - - 3 0 0 0 d 压力变送器推入了美国国内市场，使智能变送器进入了商品 化。随后美国的r o s e m o u n t ，f o x b o r o 等一些公司在1 9 8 6 年美国仪表学会( i s a ) 的 会议上争相推出了一些称为s m a r t 变送器的新型智能变送器系列。这类变送器具有 适合各种新应用的能力，克服了以往模拟变送器准确度不够高、漂移过大、量程有 限、维护和维修费用大等一些不足。由于这类变送器内部有微处理机，采用了数字 集成化测量方式，不仅能输出4 2 0 m a 的模拟信号，而且还能输出数字信号，实现 了现场和控制窀之间进行双向数字通信。这典型的数字通信功能缩小了测量技术 与控制技术之1 只j 的差距。如果采用这种数字式集成化测量与控制方式，就能消除许 多与模拟电路有关的误差源，因而能达到更高的性能标准。例如总的测量回路可以 大连交通大学t - 枉g ! 硕十学位论文 不用数一模转换器和模一数转换器【5 】。 由于智能变送器采用先进传感技术，计算机技术及数字通讯技术，加上采用超 大规模离子注入技术及超精细加工工艺技术，它的优点是一般变送器无法比拟的： ( 1 ) 具有4 - - 2 0 m ad c 或数字信号输出功能。 ( 2 ) 有较高的精度和较好重复性。一般智能变送器精度为士0 1 ，如工作在 数字方式下则更高。另外由于智能变送器有环境温度及静压补偿，不受日夜、冬夏 温差变化的影响，具有很好的重复性。 ( 3 ) 宽量程比。智能变送器量程比普遍达到4 0 ：1 以上，而普通型变送器一般 为1 0 ：l 。宽量程比可使变送器本身的实用性，通用性得以提高，给用户及设计者 带来方便，减少备用表数量及种类。 ( 4 ) 完善的自诊断功能。通过通信器可查出变送器自身诊断的故障结果信息。 ( 5 ) 通过d c s 或通信器可远距离对变送器编程、组态、检查和校验。 传统的变送器在调校时，应从现场拆除进行离线校验，既影响生产又很繁琐， 而且有些变送器是安装在高温、高压、危险爆炸场所或者人们很难达到的地点，采 用智能变送器避免了以上繁琐危险的工作。这类变送器无论做哪一种参数的测量， 都有一个共同的方式，就是都有个主测量传感器，产生一个微处理机能够采用的 信号。智能变送器的发展是与传感器技术和计算机技术的发展分不开的，新j 代的 变送器必然是全数字化的。具有通讯功能是智能变送器的共同特点。用通讯方法将 测量结果送入操作站，不会损失精度。因此，比模拟信号通过a d 进入操作站更优 越。这种智能变送器给用户带来了极大的方便。它可以通过一个s f c 智能现场通讯 器对安装在现场的变送器进行组态，变更，校准，自诊断，还可以将现场变送器作 为一个4 2 0 m h 的恒流源来使用( 也是通过现场通讯器来实现的) 。另外智能变送器 组态的内容包括远程设定变送器标号，线性输出或是方根输出，测量范围，阻尼时 间常数等。变更测量范围时，不需要把变送器从过程线管线上拆下来，也不需要对 变送器送入差压信号或压力信号，只需要通过s f c 键盘的简单操作就可实现远程设 定、变更和校准，就像我们用遥控器对电视机或录像机进行远距离操纵一样。这种 变更和校准不需要电流电压表参与，而且零点调整和量程调整互不干扰。这样一来 就大大减少了工厂检修停工期和缩短维修时间。智能变送器的自诊断功能也给使用 和维修带来不少实惠，比如j t d2 0 0 型变送器，自诊断的内容包括组态检查、通讯 检查、变送器工作检查、过程异常检查等。诊断显示共有2 7 种型式，通过这些显 示，立即可以识别问题所在区段。智能通讯器和现场变送器通讯的方式各家公司是 不一样的，有的是无线的，有的是将通讯信号予以调制，通过4 2 0 m h 的直流信号 线进行传送。智能变送器是微处理机技术和通讯技术进入变送仪表的必然产物，它 4 第一章绪论 使仪表变得更灵巧。微机技术和通讯技术将会进入越来越多的仪表。如上所述智能 变送器具有很多优点，因此它最适用于测量范围变化较大、环境条件较差而要求测 量精度高和采用数字通信的大型控制系统及特殊应用场合。 1 3 本文主要工作 在充分了解国内外变送器发展动态的前提下，结合实际的现状，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。 基于此，本文开展以下工作： ( 1 ) 选择合适的处理器及外围电路芯片，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 2 0 m a d c 标准信号，以达到与模拟变送器兼容； ( 2 ) 软件中输入输出校正、线性化的设计与实现。 具体设计详见以下各章。 5 大连交通大学一t ：程硕士学位论文 第二章二线制变送器系统原理分析 2 1智能变送器概述 智能式变送器是由传感器和微处理器( 微机) 相合而构成的。它充分利用了微 处理器的运算和存储能力，可对传感器的数据进行处理，包括对测量信号的调理( 如 滤波、放大、a d 转换等) 、数据显示、自动校正和自动补偿等。 微处理器是智能式变送器的核心。它不但可以对测量数据进行计算、存储和数 据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微 处理器具有各种软件和硬件功能，因而它可以完成传统变送器难以完成的任务。所 以智能式变送器降低了传感器的制造难度，并在很大程度上提高了传感器的性能。 另外，智能式变送器还具有以下特点： ( 1 ) 具有自动补偿能力，可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自 动补偿。可自诊断，通电后可对传感器进行自检，以检查传感器各部分是否正常， 并做出判断j 数据处理方便准确，可根据内部程序自动处理数据，如进行统计处理、 去除异常数值等。 ( 2 ) 具有双向通信功能。微处理器不但可以接收和处理传感器数据，还可将信 息反馈至传感器，从而对测量过程进行调节和控制。可进行信息存储和记忆，能存 储传感器的特征数据、组态信息和补偿特性等。 ( 3 ) 具有数字量接口输出功能，可将输出的数字信号方便地和计算机或现场总 线等连接。 6 1 2 2 变送器分类 变送器种类很多，总体来说就是由变送器发出一种信号来给二次仪表使二次仪 表显示测量数据，将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通 讯协议方式输出的设备。一般分为：温度湿度变送器，压力变送器，差压变送器， 液位变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器，重量变送器等。 变送器的在传输方式上分为二线制、三线制和四线制等几种传输模式。 二线制传输方式中，供电电源、负载电阻、变送器是串联的，即二根导线同时 传送变送器所需的电源和输出电流信号：二线制变送器原理图如图2 1 所示。 6 第二章一：线制变送器系统原理分析 图2 - 1 二线制变送器原理图 f i g 2 - 1s c h e m a t i co fs e c o n d - l i n es y s t e mi n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r 三线制方式中，电源正端和信号输出的正端，它们共用一个地线，由流信号县 从i + 和v 一两端之间得到的。三线制原理图如图2 2 所示。 图2 - 2 三线制变送器原理图 f i g 2 2s c h e m a t i co ft h i r d - l i n es y s t e mi n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r 四线制方式中，供电电源、负载电阻是分别与变送器相连的，即供电电源和变 送器输出信号分别用二根导线传输。四线制变送器原理图如图2 - 3 所示。7 两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源 线，又是信号线。两线制与三线制( 一根币电源线，两根信号线，其中一根共g n d ) 和四线制( 两根征负电源线，两根信号线，其中一根g n d ) 相比，二线制具有较多的 优点和特点。 大连交通人学：i = 群硕十学位论文 变送器 电源o oo o + 模块 o oo om 一 oa n l c o m 图2 - 3 四线制变送器原理图 f i g 2 - 3s c h e m a t i co ff o u r t h l i n es y s t e mi n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r 2 3 二线制变送器特点 二线制变送器有如下特点： 7 - s ( 1 ) 不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细 的导线； ( 2 ) 在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会 产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰； ( 3 ) 电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4 - - 一2 0 m a 环路，接收器电阻 通常为2 5 0q ( 取样u o u t = l 5 v ) 这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允 许的电线长度比电压遥测系统更长更远； ( 4 ) 各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换 接，不因电线长度的不等造成精度的差异； ( 5 ) 将4 m a 用于零电平，使判断开路或传感器损坏十分方便( o m a 状态) ； ( 6 ) 在两线输出口容易增设防浪涌，防雷器件，有利于安全防爆。 二线制变送器电流环中供电电源、负载电阻、变送器是串联的，即二根导线同 时传送变送器所需的电源和输出电流信号，所以设计二线制变送器需注意一下几 点： ( 1 ) 电压条件：在变送器电流环路中，一般取r ：2 5 0 q 。当i = 4 2 0 m a 时，u i = i 5 v 。考虑到可能会串接其他仪表，以及传输电缆的导线电阻，r 的最大值可取3 5 0 q ， 因此最大消耗电压为7 v 。而外接电源一般为2 4 vd c ，允许有1 0 的变化，所以外 接电压最小为2 1 6 v ，变送器输入电压最小为1 4 6 v ( 2 1 6 v 一7 v ) ，所以变送器工作 电压不能超过此电压。考虑到电流表等的压降，变送器内的一个期l 脚的电压最好为 5 v 以下。 ( 2 ) 电流条件：由于变送器最小输出信号电流为4 m a ，变送器中个器件的功率 电流要小于4 m a 。 8 第二_ ：章_ 线制变送器系统原理分析 ( 3 ) 功率条件：变送器能够利用的小功率为：p = i m i n ( e i * r ) = 4m a ( 2 1 6 v - 4 m a * 3 5 0 q ) = 8 0 8 m w 。为保证变送器在此条件下能正常工作，电路设计中也 应选用低功率小电流的集成运放和稳压管，而且整个电路要尽量简单，才能使变送 器的电压，电流、功率条件得到满足。 本章小结 本章介绍了三种变送器传输方式的定义及电路原理图，分析比较了各种传输模 式的特点。总结出二线制变送器的优点，并分析在设计中所要注意的问题，为二线 制变送器电路的设计做铺挚。 9 大连交通人学丁程硕十学位论文 第三章二线制变送器硬件设计 3 1普通电路的设计 变送器按传输方式有二线制、三线制和四线制等三种方式。根据传输方式设计 不同的电路。这三种传输方式的电路如图3 1 所示： 变 送 器 i f f ； i 变 送 器 变 送 器 1 | 2 0 种 f j = 了 f 4 2 0 m a 图3 - 1 不同传输方式的电路图 f i g 3 - 1c i r c u i td i a g r a mo fd i f f e r e n tt r a n s m i t t e r 二线制电流变送器的6 大全面保护助能： 9 - i l l ( 1 ) 输入过载保护； ( 2 ) 输出过流限制保护； l o 四 线 制 变 送 器 线 制 变 送 器 二 线 制 变 送 器 j 第二章：线制变送器硬件设计 ( 3 ) 输出电流长时间短路保护； ( 4 ) 两线制端口瞬态感应雷与浪涌电流t v s 抑制保护； ( 5 ) 工作电源过压极限保护3 5 v ； ( 6 ) 工作电源反接保护。 三线制和四线制变送器均不具上述优点即将被两线制变送器所取代，从国外的 行业动态及变送器心片供求量即可略知一斑，电流变送器在使用时要安装在现场设 备的动力线上，而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的监控室里， 两者一般相距几十到几百米甚至更远。设备现场的环境较为恶劣，强电信号会产生 各种电磁干扰，雷电感应会产生强浪涌脉冲，在这种情况下，单片机应用系统中遇 到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。 3 。2二线制变送器电路原理分析 二线制变送器是通过信号线提供驱动电源的变送器，采用二线制变送器可以节 省电源线。二线制变送器首先被差压变送器采用。差压变送器一般分散分布在庞 大的工厂内，采用二线制变送器，大幅降低了施工费用。二线制变送器和4 线制 不同之处在于它可以大幅度节省电源线的费用。例如在露天分布有大量储藏罐的罐 区，由于储藏罐分布得很散，而且很多都不能接电源，这种情况下采用无需供电的 二线制变送器非常方便。二线制变送器的信号是大家已经很熟悉的4 - 2 0 m a 直流电 流信号。该4 - 2 0 m a 直流电流信号抗噪讯能力很强，即使在有电力设备的环境下都 可以保证信号的稳定传送。如果采用电压信号，例如d c o - i o v 的信号线上加上1 0 v 的噪讯电压1 0 v ，信号线上的信号将增加一倍。而二线制变送器的输出端子测得变 送器内部的阻抗值至少有1 mq ，因此噪讯电压1 0 v 加在受信阻抗上的电流值i 如 式3 1 所示： m ) = 器= 1 0 - 5 a = 0 0 1 m a ( 3 1 ) 相对于量程2 0 m a ，影响只有1 2 0 0 0 。这是二线制变送器优越之处。1 1 2 - 1 4 _ 二线制变送器的接线如图3 - 2 所示。信号网路上是4 - 2 0 m a 的电流信号。二线 制变送器利用输入信号0 对应4 m h 的直流电流动作。信号为1 0 0 时，变送器就在 4 m h 上加上1 6 m a 将凹路的信号控制在2 0 m a 。二线制变送器内部控制使输入信号和 4 - 2 0 m a 的输出信号成f 比。因为二线制变送器本身有v 1 的压降，所以信号回路内 的受信阻抗的最大值为( d c 2 4 v v 1 ) 2 0 m a 。 人连交通大学t 程硕十学位论文 叶二u 儿l j 卡 ，v 1 信号回路1 1 图3 2 二线制变送器接线图 f i g 3 - 2w i r i n gd i a g r a mo fs e c o n d - l i n es y s t e mi n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r 二线制变送器的原理是利用了4 2 0 m a 信号为自身提供电能。如果变送器自身 耗电大于4 m a ，那么将不可能输出下限4 m a 值。因此一般要求两线制变送器自身耗 电( 包括传感器在内的全部电路) 不大于3 5 m a 。这是两线制变送器的设计根本原 则之一。从整体结构上来看，两线制变送器由三大部分组成：传感器、调理电路、 两线制v i 变换器构成。传感器将温度、压力等物理量转化为电参量，调理电路将 传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。两 线制v i 变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流：同时从环路上获得 电压并稳压，供调理电路和传感器使用。除了v i 变换电路之外，屯路中每个部分 都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在 v i 变换的反馈环路内如图3 3 。1 1 5 - 1 7 1 图3 - 3 二线制变送器原理图 f i g 3 - 3s c h e m a t i co fs e c o n d - l i n es y s t e mi n t e l l i g e n tt r a n s m i t t e r 采样电阻r s 串联在电路的低端，所有的电流都将通过r s 流回到电源负极。从 r s 上取到的反馈信号，包含了所有电路的耗电。在两线制变送器中，所有的电路 总功耗不能大于3 5 m a ，因此电路的低功耗成为主要的设计难点。下面将逐一分析 各个部分电路的原理与设计要点。 1 2 第二章：线制变送器硬件设计 3 3 各模块电路原理及设计 与三、四线制相比，二线制变送器最大的困难在于电源线与信号线为同一条线。 为保证各放大器及c p u 工作电压的稳定性，需要将2 4 v 直流电压稳压后为系统电压， 最后还要将电压信号转换为电流信号。【1 8 j 3 3 1电源变换模块 电源变换模块是整个电路正常工作的基础，电源的稳定性也直接关系着整个电 路可靠性，数据的准确性。在选择使用何种电压变换芯片时，需要考虑效率、噪声、 成本、体积的要求，目前，常用于阀门定位器的d c - d c 转换器有以下几种类型：低 压差线性稳压器( l d o ) 、电感型开关电源转换器和电荷泵等。 1 9 1 开关型d c - d c 转换器包括升压、降压、升降压和反相等电路。开关型转换器 的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。随著集成度的提高，许多新型 开关型转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。但是，这类电源控制器的输 出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。 近几年来，随着半导体技术的发展，表面贴装的电感器、电容器、以及高集 成度的电源控制芯片的成本不断降低，体积越来越小。由于出现了导通电阻很小 的m o s f e t 可以输出很大功率，因而不需要外部的大功率f e t 。例如对于3 v 的输入 电压，利用芯片上的n f e t 可以得到5 v 2 a 的输出。其次，对于中小功率的应用， 可以使用成本低小型封装。另外，如果开关频率提高剑! m h z ，还能够降低成本、 可以使用尺寸较小的电感器和电容器。有些新器件还增加许多新功能，如软启动、 限流、p f m 或者p w m 方式选择等。t 2 0 ! 低压差线性稳压器的基本电路如图3 - 4 所示，该电路由串联调整管v t 、取样电 阻r 1 和r 2 、比较放大器a 组成。取样电压u in 加在比较器a 的同相输入端，与加 在反相输入端的基准电压u r e f 相比较，两者的差值经放大器a 放大后，控制串联 调整管的压降，从而稳定输出电压。当输出电压u o u t 降低时，基准电压与取样电 压的差值增加，比较放大器输出的驱动电流增加，串联调整管压降减小，从而使输 出电压升高。相反，若输出电压u o u t 超过所需要的设定值，比较放大器输出的前 驱动电流减小，从而使输出电压降低。供电过程中，输出电压校正连续进行，调整 时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。 输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电，】i 稳定的前 提下，该电压差越低，线性稳压器的性能越好。用电设备的功率不同，要求稳压器 输出的最大电流也不相同。通常，输出电流越大的稳压器成本越高。 大连交通大学一1 ：稃硕十学位论文 为了降低成本，在多只稳压器组成的供电系统中，应根据各部分所需要的电流 值选择适当的稳压器。负载调整率是众多电源设备一个非常重要的参数，它反映了 电源抑制负载干扰的能力，负载调整率越低，输出负载对输出电压的影响越小，l d o 的品质就越好。接地电流是指串联调整管输出电流为零时，输入电源提供的稳压器 工作电流。该电流有时也称为静态电流，但是采用p n p 晶体管作串联调整元件时， 这种习惯叫法是不正确的。通常较理想的低压差线性稳压器的接地电流很小。典型 l d o 需要增加外部输入和输出电容器。利用较低e s r 的大电容器一般可以全面提高 电源抑制比( p s r r ) 、噪声以及瞬态性能。【2 1 j 低压降( l d o ) 线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优 点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。新的l d o 线性稳压 器可达到以下指标：输出噪声3 0uv ，p s r r 为6 0 d b ，静态电流6ua ，电压降只有 l o o m v 。使得它在很多场合广泛的使用。其特性有利于改善电源电路的整体效率， 它的过流保护功能可以提升电源的安全系数。但是，其转换效率通常低于开关型 稳压器。 2 2 1 图3 4l d o 原理 f i g 3 - 4s c h e m a t i co fl d o 电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升， 采用电容器来贮存能量。电荷泵是无须电感的，但需要外部电容器。由于工作于较 高的频率，因此可使用小型陶瓷电容( 1m f ) ，使卒间占用小，使用成本低。电荷泵 仅用外部电容即可提供2 倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的e s r ( 等效串 联电阻) 和内部丌关晶体管的r d s ( o n ) 。1 2 3 1 电荷泵转换器不使用电感，因此其辐射 e m i 可以忽略。输入端噪声可用一只小型电容滤除。它的输出电压是工厂生产精密 预置的，调整能力是通过后端片上线性调整器实现的，因此电荷泵在设计时可按需 要增加电荷泵的丌关级数，以便为后端调整器提供足够的活动空j b j 。 转换效率要高静态电流要小，。可以更省电；输入电压要低，尽可能利用电池 1 4 第二章_ 线制变送器硬件设计 的潜能；噪音要小，对手机的整体电路无干扰；功能集成度要高，提高单位面积 的使用效率；足够的输出调整能力，电荷泵不会因工作在满负荷状态而发烫；安装 成本低，包括周边电路占p c b 板面积小，接线少而简单；具有关闭控制端，可在 长时间待机状态下关闭电荷泵，使供电电流消耗近乎为o 。 由l d 0 原理可知，l d 0 电压的转换效率很低，大约为输出电压与输入的比，我 们假设变送器外部电压最低为1 7 v ，内部芯片工作电压为3 3 v ，则其工作效率最大 为1 9 4 ，上文我们提到，变送器最大的功率为8 0 8 m w ，实际上内部芯片能够得到 的功率为2 4 m w ，这很大的限制的内部芯片的选择，而且严重浪费的电能。 因此我们考虑使用开关型d c - d c 芯片作为电压转换芯片，开关型d c d c 芯片的 效率较高，一般在8 5 以上，且其输入电压范围较大，能够满足设计的要求。但是 d c d c 芯片的纹波、噪声较大，所以在模拟电路中，特别是在仪器仪表电路中，不 适合使用噪声较大的电源。 因此综合考虑效率和噪声的影响，使用d c d c 与l d 0 结合的方式既能满足效率 的要求，又具有较小的噪音，其示意图如图3 - 5 所示。 1 7 - 2 一 一 v 3 5 v 一 d c d cl d 0 一 3 3 v 图3 5 电压变换模块框图 f i g 3 5b l o c kd i a g r a mo fv o l t a g ec h a n g em o d u l e 由于低功耗的要求，现在比较常见的低压供电大部分为3 3 v ，我们决定使用 3 3 v 为系统供电，所以l d o 的输出为3 3 v 。而l d 0 的最低压差一般在0 1 o 2 v ， 在考虑到稳定性，噪音及效率的影响，本文使用3 5 v 为l d o 供电。 经过比较，本文选择丌关型d c d c 芯片为m a x l 7 7 6 ，资料表明：v i n = 1 7 2 4 v ， v o u t = 4 v 时，其效率最低为8 0 。l d 0 芯片选择为m a x 6 0 4 ，其输出电压为3 3 v ，最 小压差0 i v ，0 0 1 a 输出时，其静态功耗为1 5 u a ，效率大概为9 4 。总体效率为 7 5 。电源变换模块为下级系统提供的功率为 8 0 8 术7 5 6 0 ( m w ) m a x l7 7 6 及m a x 6 0 4 引脚图如图3 - 6 所示。 大连交通人学t 程硕十学位论文 f b g n d i l i m l x 图3 - 6m a x l 7 7 6 及m a x 6 0 4 引脚图 f i g 3 6 p i nd i a g r a mo fm a x l 7 7 6a n dm a x 6 0 4 0 u t g n d g n d s 盯 m a x l7 7 6 有两种连接方式，如图3 - 7 所示。一种为5 v 固定输出，一种为可调 输出，可调范围为1 2 5 v , - 一v ；。，由于电路中需要4 v 的输出，所以采用可调输出模 式。 1 7 - 2 4 v i n l x m m 一4 y i n o u t 3 3 i g n d g n d 上 s h d n 由r 2 _ _ _ _ _ _ _ _ 上_ _ _ _ _ _ _ 一 l l i m f b 广j g n d g n d _ 上 i l l m 2 l t jr 4 o f f s e t 图3 - 7 电源变换模块电路图 f i g 3 - 7c i r c u i td i a g r a mo fv o l t a g ec h a n g em o d u l e 3 3 2 信号处理模块 ( 1 ) 单片机的选择 在现今市场上，单片机的生产厂商很多、单片机的类型也很多：作为通用智能 终端的控制器，在这众多的单片机类型中选择一款合适的型号是一件重要的事情。 对于本终端，进行单片机选型应该遵循的原则或要求主要是： 选择的单片机必须有较好的稳定性，这是【大j 为在温室或其它环境中存在有 很多的干扰，为了使单片机能够正常的工作，单片机内部必须有较好的内部复位和 1 6 第二章一：线制变送器硬件设计