（检测技术与自动化装置专业论文）一种智能仪表辅助教学设备的研制.pdf

摘要 近些年来，自制教学设备在高校教学质量提高与教学实验改革中的作用日益突出， 各高校也都十分重视教学设备的研制与开发。自制教学设备能够有效的适应不同的教学 内容需要、进而改进教学方法，提高教学质量。目前，国内许多高校都在积极地进行这 方面的尝试与研究。由于自制教学设备具备的重要性，中国石油大学也开展了相应的研 究工作。本课题结合自动化仪表类课程的教学实际，设计完成了智能仪表辅助教学设备 和数据采集器的研制。 依据课题要求，智能仪表辅助教学设备应具备向学生清晰演示温度变送器、差压变 送器和涡街流量变送器等仪表内部结构原理、呈现信号转换过程的功能，使学生形象理 解所学的理论知识，提高学生的动手能力和仪表开发能力。为此，除了需要完成仪表内 部各基本功能模块的设计，还增加了中间变量的输出与显示接口电路，设计完成了简洁 易懂、方便教学的演示面板，弥补了现有自动化仪表实验仅仅完成仪表输入输出的功能 测试与校验而无法让学生了解仪表内部工作原理的不足，起到改善高校实验教学现状和 强化辅助教学的作用。 作为教学设备在数据采集精度方面的一个补充与改进，设计了1 6 位多路数据信号 采集器，实现对温度、压力、流量等变送器输出信号的采集，并实现了与计算机的数据 通讯，可以进一步扩展智能仪表的实验内容。 设备开发过程中，采用了模块化的设计思想，将整个设备按功能划分为不同的软硬 件功能模块，分别予以实现。论文所开发的自动化仪表辅助教学设备除了可以完成智能 仪表本身的基本功能实验以外，还具有部分演示教学的功能，基本实现了预定的目标。 关键词：自制教学设备，h a r t 协议，数据采集，模块化设计 t h e d e v e l o p m e n to f a s s i s t a n tt e a c h i n gi n s t r u m e n tf o r i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t w a m gz l l i g 弛g ( m e 嬲u r e m e n t 做l l l l o g y 锄da u t o i n a t i ce q 血p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rg e i 唱、恤l ：f e n g a b s t r a c t s e l f - m a d et e a c l l i n ge q u i p m e mi sb e c o r i l i l l gi n c r e 硒i n g l yi m p o r t a n ti i l l ee x l ) e r i i n e n t a l r e f o 册觚dt l l ei i l l p r o v e m e n to ft l l eq u a l i t ) ro fl l i g he n 百r 圮e r i r l ge d u c a t i o n t h er c a r c h 锄d d e v e l o p r n e mo ft c a c l l i n ge q u i p m e ma r i sm u c ha t t e n t i o nt 0m a n yu 1 1 i v e 娼i t i e s s e l f - m a d e t e a c l l i n ge q u i p i m n tc 趾e 毹c t i v e l ya d 印tt 0d i 舵r e mt e a c l l i n gn e e d s 觚di i i l p r 0 v et e l l i n g q u a l i 劬a 1 1 dh 弱b e e nr e g 引d e d 勰o n el 【i n do f 豇删i 1 1 1 e n to ft 1 1 eq u a l i 够o fi l i g h e re d u c a t i o n l 0 t so fr e s e a r c hw o 妇h a v eb e e nd o n e 妯d i 位r e n t v e r s i t i e s c 1 1 i mu 1 1 i v e r s 蚵o f p e 仃o l e 啪h a sa l s ob e 母m l er e l a t e dr e s e a r c hw o r k s t h j s 吐l e s i si i l c l u d e s 1 ed e s i 目岱锄d d e v e l o p m e n to fo n el 【i i l d o ft e a c h i n ge q u i p m e n tf o r 硫e l l i g e n ti i l s c n u n e n ta n da 纰 a c q u i s i t i o ni 1 1 s t r l 衄e n t a c c o r d i n gt 0m ed e m a i l d so ft i l er e s e a r c ht o p i c ，t l l ei n t e l l i g e n tt e a c l l i n ge q u i p i n e n t s h o u l dh a v em e 如n c t i o n 廿l a ti tc a ns h o w 廿l ei m l e rs 仉j c t u r ep r i n c i p l e 肌dt 1 1 ec o n v e r s i o n p r o c e s so fs i 印a l so fm ei i l 鲫眦l c ms u c h 雒t c m p e 阳t u 陀，d i 行i e r e n t i a lp r e s s i e ，v ( r t e xn o w i 仳r 觚d o n n 埘l lh e l p 咖d e n t s 岫d c r s t 刁m dt l i em e o d rl e 锄毗i 1 1c l 锻咖m 锄d i i n p r o v et l l e i ra b i l i t i e so fp m c t i c e 锄di n s t n l i i l e n td c v e l o p i n e n t t h e r e f o r e ，t 1 1 es o n w a r e 锄d h a r d w a r ea f ea l ld e s i 印e di nm o d m a r i z a t i o n i i lt h ed e s i 印p r o c e s s ，t l l e 硫e r f a c ec 硫u i t s 峪e d t oo u t p u t 趾l dd i s p l a yt i l ei i l t e m l e d i a t c 谢a b l e s 、e 聆a d d e d as i r n p l e ，c l e 盯趴de 嬲y t o - u s e d d e m op a n e lw 弱d e s i g n e d ，w l l i c ho v e r c o m e st l l ed i m c u l t i e st l l a tm ee x i s t i n g 卸幻m a t i c i i l s 仇l i l l e n t e x p e r i i l l e n t c a n n o th e l ps t l l d e n t su r l d e r s 切n dt i l ew o r b n gp r i i l c i p l eo ft l l e i n s t r l 】m e n t a sas u p p l e m e n t 锄di m p r o v e m e n to n 圮a c c u r yo ft l l ed a t aa c q u i s i t i o no ft e a c l l i n g e q u i p n l e 咄a16 b i tm u l t i c h 锄e ld a _ t aa c q u i s i t i o n 证帆蚰e n t 、弱d e s i g n e df o rt l l es i g i l a l a c q u i s i t i o n0 ft e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n dn o wt r a 璐m i n e r d a ：t ac o m m u i l i c a t i o nk 舸鸭e nt l l e d a t aa c q u i s i t i o ni i l s t l l 皿1 e n ta n dc o m p u t e rw 舔c o m p l e t e d ，w h j c he x t e n dt i l ec o n t e n to f 吐圮 i i l t e l l i g e n ti i l s 仃i m l e n te x p e r i m e n t m o d u l 撕z a t i o nd e s i g nm e t l l o dw 嬲e m p l o y e d 证t h ed e v e l o p m e mo f 圮i i l 鼬r u i n e m t h e i n s 讯蚰e n tw 雒d i v i d e d 证t 0d i f l e r c n tm o d u l e s 锄db e e nd e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y e k s i d e st 1 1 e b 硒i c 劬c t i o no fa ni r l t e l l i g c n ti l l s 臼啪e n t ，t l l ed e v e l o p l e de q u i p m e n th 邪t l l e 如n c t i o no f t e a c l l i n gd e m o 璐仃a t i o n ，锄di tb a u s i c a l l ya c l l i e v e st l l ep r e d e t c 砌n e dg o a l k 叼w o r d s ： s e l f ：m a d e t e a c h i n ge q u i p m e n t ，h a r tp r o t o c o l ，d a t a a c q u i s i t i o n ， m o d u l 撕z a t i o nd e s i g n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：王! 垒塑! !日期： 萨6 月 占日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：墨量望! ! 指导教师签名：二乙芝磊牝 日期：洳g 年多月石日 日期：肋黔幼7 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 随着高等教育的发展，各种辅助教学实验设备在高等教育中的作用日益突出，各高 校十分重视教学实验设备的研制与开发，它已经被看作是高校教学质量的一种具体体 现。现代化的教学设备在很大程度上直接关系到学生的学习质量。对高等工程教育来说， 只重理论的教学方式既不利于学生积极主动的学习，又不利于培养学生的学习能力和工 作能力。学校教育中最新的知识理论与技术也需要通过配套的先进的教学设备，才能使 学生形成概念，加深对专业知识的理解、培养专业技能。高校教学设备的广泛应用，对 于培养学生实践能力和创新精神是不可或缺的教育资源，对促进高等教育的发展是十分 必要的。它的核心价值就在于参与教学过程，体现正确的教育教学理念和科学而有效的 教学方法，提高教学效率和质量。 我国各高校如今都十分重视自制教学设备的发展。自制教学设备具有以下优点【l 】： ( 1 ) 节约资金。自行研制仪器设备，环节少，费用低，节约资金，有利于加速实验室 建设；( 2 ) 针对性强，可以弥补商品仪器的不足，满足教学和科研的特殊需要；( 3 ) 便于 使用和维修，由于对研制过程及仪器的每个零部件都比较熟悉，掌握了仪器的结构性能 和特点，便于操作使用和维修。自制仪器设备在教学和科研中有着十分重要的作用，对 学校专业的发展和教学水平的提高功不可没。目前中国石油大学根据专业自身的特点， 致力于自制教学设备的研究。 在中国石油大学自动化仪表类课程实际教学中，由于现有仪表大都无法让学生了解 仪表内部的工作原理，仅仅完成仪表输入输出的功能测试与校验，与自动化专业、测控 技术与仪器专业的教学目标不符。为了改善目前的教学现状，石油大学信息与控制工程 学院自动化系立项资助开展这方面的工作，自行研制了智能仪表辅助教学设备及1 6 位 精度数据采集器。 1 2 教学设备国内外研究现状与发展 国外自制教学设备发展已经很成熟，涉及的范围很广，许多设备已不仅仅用于教学， 还广泛用于工业生产。国外许多高校特别是工科院校普遍重视实验教学，并注重教学仪 器的开发与研制，有很多先进的技术、设备就是从自制实验设备发展而来的。如德国亚 琛工业大学，按照“高校+ 科研院所+ 企业”的结构开展科研，在电子、机械制造等领 域的设备研制、开发一直处于国际领先水平。 第一章绪论 国内许多大学和企业也都开展了自制教学设备的研制，并形成了一定的产业。例如， 哈尔滨工业大学自行设计制作了五种“机械系统方案设计与结构分析实验设备。东南 大学，结合教育部“电工电子教学基地 的建设，研制开发了一整套居国内领先水平的 计算机硬件应用实验设备。另外，许多企业也从事教学设备的研制与开发。北京中教科 源科教设备有限公司是科研、生产、销售为一体的高科技企业，公司专业生产汽车教学 实验设备，电工、电子、电拖、电机实验室设备，机电一体化实验室设备等，k y j z 一3 a 检测与转换技术实验台实验箱是为适应不同类别，不同层次的专业需要，最新推出的 模块化的新产品。上海华育教学设备有限公司集科研、生产、销售为一体的国内生产教 学仪器的主要专业厂家，依托强大的教育系统的科技实力，先后成功地开发了h y 一8 1 1 型自动检测与转换技术实验成套设备，h 1 3 0 0 0 型电工实验室成套设备。还有东方振动和 噪声技术研究所的应怀樵教授研发完成大d a s p 虚拟数据库和i n v 3 0 3 3 0 6 移动实验室， 可以把“实验室拎着走 。另外如现场总线核心技术、基因芯片生产技术等都跨入了世 界先进行列。 目前教学设备的研制和生产正趋向智能化、微型化、集成化和芯片化以及网络化1 2 】。 利用现代微制造技术( 光、机、电) 、纳米技术、计算机理论、仿生学原理、新材料等 高新技术发展新式的教育装备已成为主流。如微型全化学分析系统、微型实验室、芯片 实验室等。并且随着仪器装备的自动化、智能化水平的提高，多台仪器装备联网已推广 应用，通过i m e m e t 网，仪器装备的用户可异地交换信息和浏览，厂商能直接与异地用 户交流，能及时完成如仪器装备的故障诊断、指导用户维修或交换数据、软件升级等工 作。 1 3 论文研究内容 各种教学设备的研制是高等教育改革的大势所趋，符合现代教育的要求。其中，仪 器仪表类产品的应用尤为广泛。几十年来智能仪表得到了迅速的发展和应用。早期的智 能仪表普遍采用微处理器，功能一般比较简单。新型智能化现场仪表即数字化的现场总 线智能仪表。这些仪表同时具有信息的采集、储存、处理和传输功能。其中，基于h a r t 总线协议的温度变送器等仪器仪表在近年来获得了迅速的发展，应用也日益广泛。 本课题针对基于h a r t 协议的温度变送器、电容式差压变送器和涡街流量变送器， 研发一套基于此协议的仪表辅助教学设备，主要内容如下： 1 完成教学设备的硬件电路设计与调试，通过设计中间变量测量接口以及设计功 能完善的演示面板实现辅助教学，让学生更好的掌握仪表内部工作原理及开发设计。在 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 软件方面，编写并调试教学设备软件程序，实现教学设备数据采集、数字滤波、液晶显 示及d a 转换等部分的功能。 2 作为教学设备在数据采集精度方面的一个补充和改进，设计并完成1 6 位多路数 据信号采集器，实现对温度、压力、流量等变送器输出信号的采集及输出数据液晶显示， 并且实现与计算机的数据通讯。 3 利用上述设备，可以进行温度变送器工作原理与开发、电容式差压变送器工作 原理与调校、涡街流量计结构与转换原理、基于h a r t 协议的智能仪表开发等实验，辅 助自动化仪表课程的教学工作。 第二章智能仪表辅助教学设备的设计方案 第二章智能仪表辅助教学设备的设计方案 2 1 辅助教学设备的设计 2 1 1 模块化设计思想 辅助教学设备的设计采用的是智能仪表的基本设计思想，即模块化设计思想【4 1 。 根据仪表的功能要求和技术经济指标，遵循自顶向下( 由大到小、由粗到细) 的思 想，按仪表功能层次把硬件和软件分成若干个模块，分别进行设计和调试，然后把它们 连接起来，进行总调，这就是智能仪表的模块化设计思想。模块化设计的优点：无论是 硬件还是软件，每一个模块都相互独立，能进行独立的设计、研制、调试和修改，从而 使复杂的实际过程简单化。 根据此设计思想将教学设备分模块进行设计，主要分3 部分实现：硬件设计、软件 设计和面板设计。 在硬件设计上分成模拟转换电路、加转换、单片机、d a 转换、液晶显示和通信 电路等几个模块。 软件设计可以分为两大部分：测控程序和h a r t 通讯程序。测控程序包括数据采集 ( 加转换) 、线性化、数字滤波、标度变换、l c d 显示控制、存储器的读写；h a r t 通讯程序部分包括单片机对d a 的控制程序设计和h a r t 协议的软件程序设计。 2 1 2 总体设计方案 图2 1 是智能仪表辅助教学设备的工作原理图： 图2 1 教学设备工作原理图 f i 9 2 - lp r i n c i p i eo ft e 叠c h i n ge q u i p m e n t 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 该套教学设备中，硬件电路的设计主要分模拟转换电路模块和数字处理电路模块两 部分。温度等模拟信号经过模拟转换电路可完成到电压模拟信号的转换，数字处理电路 模块包括d 转换、单片机、d a 转换、液晶显示和通信电路等几个模块。a d 转换模 块将电压信号转换为数字信号供单片机m c u 使用；m c u 则是整个设备的核心，主要 完成数据采集、数字滤波、标度变换、显示控制、输出控制等功能；存储器用来存放各 种数据等；d a 转换模块除完成4 2 0 i n a 电流信号输出，还与调整管一起组成电源模 块为系统提供电源，同时还提供一个h a r t 信号耦合端，h a r t 信号可直接由该耦合端 叠加到4 2 0 l n a 的环路上；通信模块实现m c u 与上位机之间的串行通信；液晶显示则 用来显示数字信号和文本信息的输出，直观显示仪表的工作过程。 图2 2 为教学设备设计与开发的总体方案框图。 图2 2 教学设备总体设计方案 f i 9 2 - 2g e n e r 叠ld e s i g ns c h e m eo ft e 叠c h i n ge q u i p m e n t 总体设计步骤如下： 1 、首先进行教学设备硬件设计。根据智能仪表工作原理绘制教学设备原理图，然 第二章智能仪表辅助教学设备的设计方案 后进行实验板安装调试，对电路进行验证、修改和改进以及印制电路板的设计制作、元 件焊接。 2 、进行教学设备面板设计。参考已有的实验箱面板设计样式，力求做到设计美观、 简洁明了。 3 、进行教学设备软件设计。通常软件编程可独立进行。编程时，对系统进行总体 规划，采用模块化程序设计，即先分析各模块实现的具体功能，画出相应的流程图，再 进行程序编写。 4 、将硬件与软件连接起来进行总调。检查和排除其中硬件和软件两方面的故障， 使其能正常运行。 5 、教学设备整体组装完善。 2 1 3 中间变量设计 考虑到能让学生真正理解智能仪表的工作原理和过程，在设计中增加了中间信号转 化的测量接口，可以利用万用表、示波器等测量设备读取显示。我们在各个模拟转换电 路模块上设计信号的测量接口，用于观察信号的具体转换过程，并通过液晶模块来直观 显示设备的工作状态，从而让学生更易理解智能仪表内部结构及工作过程。 在温度变送器、电容式差压变送器和涡街流量变送器的模拟转换电路中，我们都预 留了不同的中间变量的测量接口，供学生测量观察。下面分别予以介绍。 温度模块：由于该模块处理的是热电阻( i 玎d ) 检测的信号，原理是根据r 1 d 阻值随 温度变化而变化的特性，通过在r 1 m 上加载恒流源，从而引起其两端电压的变化。所 以，我们可以测量的中间变量有r 1 d 两端的电压信号，另外还可以测量经过2 5 0 q 负载 电阻两端的输出电压信号。图2 3 示出了温度模块的中间变量测量接口。 图2 3 温度模块中同变量接口 f i 9 2 - 3i n t e r 妇c eo fi n t e 珊e d h t ev _ r i i b l e o ft e m p e n t u nm o d u k 差压模块：为了呈现出信号如何由差动电容的相对变化量转换为差动电流，我们在 该部分的模拟转换电路模块上，设计了3 个测量接口来进行检测。如图2 - 4 ，c i 转换电 路主要是由高频振荡器、解调器、振荡控制放大器组成，作用是将差动电容的相对变化 值转化为差动电流，所以可供检测的中间变量包括向测压部件提供高频电流的振荡器的 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 信号，产生差动电流和共模电流的解调器的信号，以及经闭环反馈放大后的4 2 0 n 认 电流信号i o 。 ：尸l 刚，豆i 一 “j 。 ； 感压膜片h 差动电容hc ，i 转换卜中l 放大卜_ 一 r 习一 图2 _ 4 差压模块中间变量接口 f i 9 2 4i n t e 由c eo f 血t e 珊e d 江t ev a 凼b i eo fd i 疵咖t i a lp 嗍u 他m o d u k 涡街模块：如图2 5 所示，检测元件受到交变压力而产生交变电荷信号，该信号经 过电荷电压变换、前置放大、滤波限幅和触发整形后，输出频率与旋涡分离频率相同的 方波电压脉冲信号，再经f i 转换，成为4 2 0 n 认电流信号。所以在该转换模块中， 我们可以测量的中间变量包括低通滤波处理后的信号，触发整形后的脉冲信号以及经 f i 转换后的4 2 0 n 认电流信号。 广。叫中间变量l 1 ； 。- 。千。- 一l 4 2 0 f n a 图2 - 5 涡街模块中间变量接口 f i 9 2 5i n t e r h c eo fi n t e m e d i a t ev a r i a b ko fv o n e xm o d u i e 2 1 4 设备面板设计 为让学生更好的去理解智能仪表的工作原理，从而达到理论与实验相结合的目的， 面板的设计思想是清晰的呈现出变送器内部的工作过程，把信号从测量到输出的具体转 换过程呈现出来，并通过液晶模块来直观显示。 面板设计主要完成智能仪表教学设备的演示功能，例如智能仪表原理分析、中间量 的测量以及单片机复位控制等功能。设计框图如图2 6 所示： 7 第二章智能仪表辅助教学设备的设计方案 图2 - 6 设备面板设计方案 f i 9 2 - 6d 鹊i 印驰h e m eo fe q u i p m e n tp a n e i 面板设计按主要功能分为3 块区域： 号区域为模拟信号转换电路，用于将非电量信号( 压力、温度、流量) 转换为 电量信号。针对差压变送器、温度变送器、涡街流量变送器分别设计3 块p c b 电路板， 和整个面板相互独立，使用时可按需选择。对于温度变送器的电路板，增加要测量中间 量的接口包括热电阻和热电偶两端的电压变化以及输出的l 5 v 电压。 号区域为数字信号处理电路，主要对模拟转换电路处理后的信号进行再处理， 并通过液晶显示电路直观实时的显示信号的转换过程，同时可由h a r t 通信模块实现与 上位机的通信。对于这部分增加要测量中间量的接口包括d a 输出的牝o i n a 电流以及 l 5 v 电压。 号区域为控制部分，分别用于控制设备的通断，单片机的复位及液晶显示屏的 亮度调节，还有模拟信号转换电路的2 4 v 电源和接地的接口。 2 2 数据采集器的设计 2 2 1 工作原理及模块化设计 数据采集器工作原理如图2 7 所示。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文 温度模拟信号 频率信号 单片机 数据采集 数字滤波 标度变换 通讯 图2 7 数据采集器工作原理图 f i 9 2 7p r i n c i p l eo fd 叠切u 钾t o r 数据采集器共设计有4 路信号采集，各为温度、压力和流量变送器输出的4 2 0 m a 信号以及某些流量变送器输出的频率信号。其中，温度信号可由单片机内部的1 0 位a d 转换模块采集，压力、流量信号外接1 6 位a d 芯片转换后接入单片机i o 口采集，频率 信号经过整形处理后接入单片机的外部计数脉冲输入口采集。单片机主要完成数据采 集、数字滤波、标度变换、显示控制等功能。另外，数据采集器配备时钟芯片实现时钟 计时。通信部分则主要实现单片机与计算机的r s 2 3 2 通信。 2 2 2 总体设计方案 在实际设计中，可分模块进行设计。 图2 8 为数据采集器的总体设计方案框图。总体设计步骤如下： 1 、首先进行教学设备硬件设计。硬件电路部分主要包括电源、信号采集( 加) 、 单片机、液晶显示、d s l 2 8 6 时钟芯片、u s a r t 通信等几个模块。 2 、进行数据采集器软件设计。软件调试主要包括信号采集( d ) 、数据处理( 平 均值滤波、标度变换、浮点转换) 、d s l 2 8 6 时钟计时、液晶显示、串行通信等几个部分。 3 、将硬件与软件连接起来进行总调。在完成硬件电路的设计与调试后，将编写的 各模块的软件程序烧入单片机分别进行联合调试，检查和排除其中硬件和软件两方面的 故障，使其能正常运行。 9 呈圃 第二章智能仪表辅助教学设备的设计方案 图2 8 数据采集器总体设计方案图 f i 9 2 - 8g e n e 憎ld e s i g s c h e m eo fd a 纽c o l i e c t o r 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第三章辅助教学设备的硬件设计 3 1 智能仪表辅助教学设备硬件设计与实现 根据总体设计方案，硬件电路设计采用模块化设计思想，即对硬件电路作进一步细 分，直到最后的单元电路是一个独立功能的模块。在设计过程中，首先根据工作原理设 计出相应的电路原理图，然后根据具体的技术要求进行参数计算和元器件选取。 3 1 1 主要器件的功能与特性 器件的选择主要根据设计的具体要求，如功耗、价格、精度、干扰等因素，来分析 确定的。其中，最重要的是要解决功耗问题。由于本系统必须满足两线制仪表的要求， 变送器电路耗电电流加上o 5 m a 的h a r t 正弦调制波信号电流不得超过4 m a 的回路电流， 即系统功耗必须小于3 5 m a ，所以硬件设计必须符合功耗条件。在整体的电流分配上， 单片机、模数转换器、h 舢h 调制解调器等主要器件的工作电流占系统电流的主要部分。 因此，在设计时所有的电路元件都尽量选用高集成度、低功耗的器件。下面介绍一些关 键芯片的选型及其基本性能： ( 1 ) 微处理器 因为一般的m c u 工作时要消耗较大的电流，无法满足两线制的要求，所以选型时 对m c u 要求比较严格。设计中采用了p i c 系列单片机中的p i c l 6 f 8 7 7 作为系统的微处 理器。 p i c l 6 f 8 7 7 【5 1 是p i c 系列中的中高档产品，它采用精简指令集s c 、哈佛总线结构、 二级流水线取指令方式，具有开发容易，周期短；代码压缩率高；具有丰富的外围功能 模块；开发方便等特点。它还具有低功柑6 】的特点，在5 v 工作电压、4 m 时钟时的典型 工作电流小于2 m a ，典型待机电流小于l u a 。 ( 2 ) 存储器 数据存储器选用美国微芯科技公司( m i c r o c h i p ) 生产的电擦写式只读存储器 2 4 l c 6 5 ，为8 k 的串行e 2 p r o m ，用来存放传感器特性参数及现场组态命令、工作参数、 通信数据。其功能特点如下：工作电压范围宽：2 4 l c 6 5 的供电电压为2 5 5 5 v ；低功 耗：标准工业两线制串行接口：支持1 2 c 通信协议。 ( 3 ) 数模转换器 考虑到系统采用两线制的供电方式，故选取了a d i 公司的剐d 4 2 l 芯片作为电源及 d a 转换模块。a d 4 2 l 是一款高性能的数模转换器，是专为h a r t 协议智能仪表设计 第三章辅助教学设备的硬件设计 的。a d 4 2 l 基本性能如下【7 】：2 种工作方式：4 2 0 i n a 输出方式和3 5 2 4 i n a 报警输出 方式；与h a r t 兼容：能用于标准h a r t 协议通信；3 v 、3 3 v 或5 v 可调节电压输出 及2 5 v 和1 2 5 v 精度参考，用于自身和系统其它器件；标准的三线串行接口：支持s p i 串行通信。 ( 4 ) h a r t 调制解调器 h a r t 调制解调器采用的是a 5 1 9 1 m 盯，它是美国a m i 公司专为实现h a r t 协议 而设计的低功耗调制解调器芯片。a 5 1 9 l h i 盯的主要技术性能【8 】：与h a r t 协议物理层 规范完全兼容；b e l l 2 0 2 的1 2 0 0 ( 逻辑1 ) 和2 2 0 0 ( 逻辑0 ) 频移键控信号；内部集成了接收 带通滤波器电路和发送信号整形电路：1 2 0 0 b p s 的传输率，半双工；单电源3 3 5 v 供电。 ( 5 ) 液晶显示器 基于低功耗考虑，设计中，液晶显示模块采用的是北京青云公司生产的图形点阵式 液晶模块l c m l 2 8 6 4 z k 。该模块具有如下基本功能【9 】：l c m l 2 8 6 4 z k 中文液晶显示模块 的屏幕由1 2 8 6 4 点构成，可显示四行，每行8 个汉字；l c m l 2 8 6 4 z k 模块与单片机等 微控制器的接口界面灵活，具有三种模式：并行8 位4 位，串行3 线2 线。该模块的 电源操作范围宽( 2 7 v 5 5 v ) ，功耗低的特点。低电压、低功耗特性使得该模块非常适 合于便携式系统应用；l c m l 2 8 “z k 模块可实现汉字、a s c i i 码、点阵图形、曲线的同 屏显示，内部还具有l c d 背光源，用于调整l c d 的亮度，以适应各种光线条件下进行 显示，该模块同时预留多种控制线，供用户灵活使用。 3 1 2 应用电路设计 ( 1 ) 模拟转换电路设计 模拟转换电路是把传感器测得的非电量信号转换成电信号，并完成信号的放大、滤 波等功能。在本课题中，模拟转换电路共包括三块，分别是温度变送器模拟转换电路， 电容式差压变送器模拟转换电路和涡街流量变送器模拟转换电路。为了便于完成不同的 教学任务，设计时三块模拟电路都单独设计，单独制版。 1 ) 温度变送器模拟转换电路 温度变送器的结构框图如图3 1 所示 卫匝巫p i 冀麓蓄慧嚣一 ii 。彳1 7 吧l 耳4f 1 _ j 7 j - - - j 图3 1 温度变送器的结构框图 f i i ，3 - l 双川c t u 他d i 叠g r mo ft e m p e n t u 心t n n s m i t t e r 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 敏感元件一般为热电阻或者热电偶，不包括在温度变送器内；虚线框内即为温度变 送器模拟转换电路【1 0 1 。在设计中，温度模拟转换电路由集成芯片a d 6 9 3 和一些外围电 路组成。实现对热电阻( i 汀d ) 和热电偶等测量信号的缓冲、放大和电压电流变换后输出 牝0 i n a 标准的电流信号。 a d 6 9 3 是美国模拟器件公司( a d i ) 专门开发的和2 0 m a 输出的两线制变送器功能模 块电路。它的输出量程和零点单独可调，能自己供给传感器工作电压，可以直接与热电 阻( i 玎d ) 以及热电偶温度传感器相连接，因此是一种比较理想实用的高集成度单片功能 模块电路。 参见图3 2 【1 1 1 ，a d 6 9 3 主要由4 部分组成：信号放大器、辅助放大器、参考电压、 电压电流变换器。 1 2 m ai 、，i n z e r 0 p lp z m - u 1 1 2 j 0五矗 1 z vl 1 51 6- 垃 信号 1 鲫力毫 均 l 一。山 瞥士_ 1 ，暑匕 广 i b 带。i 司ab 0 ( s i g1 70 露l匙1 吲驻 ir s i g。s 仁 钟) j ! i ；怜酪l 父 一- v 一j 旦倒 眍 毒 | 旷描一2 l 置l ， 口_- 杆卜1 压 l l 二刁不毛5 k i 曩 i 面 o 委 ：l v i 变擒- v t：。n2 2 5 x l j i 7i o n t 髓簟大嚣 i i 一 哩 i 球 一 i 翻：123 6 一+7 5 m t 5 d c o m l l o o - 图3 - 2a d 6 9 3 功能框图 f i 9 3 2 f 岫c t i 仰叠id i a g n mo f a d 6 9 3 利用辅助放大器通过不同的接线方法可以为l o o q 铂电阻提供六种测量范围，在该 设计中，采用将a d 6 9 3 的1 2 与1 3 管脚短接，温度测量范围为吐1 0 4 【1 2 】。信号放大 器缓冲平衡小输入信号，以驱动v i 转换部分。通过改变信号放大器的闭环增益就可以 改变a d 6 9 3 的输入量程。基准电压为v i 变换器提供不同的零点应用电压。变换器 根据输入信号的大小输出4 2 0 i l 认的电流。利用a d 6 9 3 设计的实现热电阻( i 玎d ) 和热电 偶的测温转换的电路原理图如图3 - 3 。 第三章辅助教学设备的硬件设计 图3 3 温度模拟转抉电路原理图 f i 9 3 - 3p r i i i c i p l eo fa n a i o gc o n v e 璐i o nc i 眦u i to ft e m p e n 钿n 为了测量热电阻和热电偶两种输入信号，设计了两个切换开关。参见图3 3 ，在用 于热电阻测温时，首先将电路板上的拨码开关s l 全置o n ，拨码开关s 2 全置o f f 。而 在用于热电偶测温时，则将电路板上的拨码开关s l 全置o f f ，拨码开关s 2 全置o n 。 通过切换拨码开关从而实现两种传感器的温度测量。 在设计中，需要注意a d 6 9 3 的最大负载电阻与电源供给的选取。最大负载电阻计 算公式为( 3 1 ) 尺一= 一1 2 j 2 0 枷 ( 3 1 ) 其中，为选用的电源电压。 由于a d 6 9 3 具有输出量程和零点单独可调的功能，所以在电路中设计了信号调零 电路。如图3 2 ，电阻墨和电位器彬构成了信号调零电路。 形和毛由公式( 3 2 ) 和( 3 3 ) 联合计算可得： = ( 1 6 ，月) 一4 0 0 ( 3 2 ) r 5 = 3 1 y ( 1 5 刀y + l 3 7 5 q ) ( 3 - 3 ) 式中， 为用调节输出电流的调节量，如选取，_ = 2 n 认，则形= 4 0 0 q ，也= 6 9 k q ， 选取标称值= 5 0 0 q ，尺，= 6 8 qk 。在此处，应按计算值选用，否则零点偏移较大。 在热电偶变送器模拟转换电路中，设计了冷端温度补偿，冷端温度补偿采用a d 5 9 2 及外接电阻对热电偶参考端进行自动补偿。在补偿电路中，电阻i k o m p 和r z 须按不同 分度热电偶选取不同阻值。具体选择参数见表3 1 【1 3 】 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 表3 1 热电偶冷端补偿 1 a b l e 3 - lc o l dj u n c t i o nc o m p e n s a t i o no ft h e n 咀o c o u p l e 输入蝴 输入6 0 m v 极性类型环境温度r c o 蛐( 欧)& ( 千欧) 测温范围测温范围 +j2 5 5 1 73 0 15 4 6 1 0 3 5 j7 5 5 3 62 9 45 4 61 0 3 5 + k2 5 4 0 2 3 9 27 2 1 k 7 5 4 2 23 f 7 47 2 l +e2 5 6 0 42 6 14 1 37 8 7 e7 5 6 4 9西34 1 37 8 7 +t2 5 4 0 23 9 2 t7 5 4 5 33 4 0 2 ) 电容式差压变送器模拟转换电路 电容式差压变送器的结构框图如图3 4 所示 r - r 溱：。商蓓善j ： i调零、：i 手移信号 ； 爿群匝甜母睾匾叶 测量部分 l 转换放大部分l 一反馈卜一 i 图3 - 4 电容式差压变送器结构框图 f i 9 3 - 4 & 川c t u 他d i a g r a mo fc a p a c i 纽n c ed m b 他n 恤ip 爬黯u 代t 住n s m i t t e r 电容式差压变送器的具体工作过程【1 4 】：当输入差压p i 作用到测压部件的感压膜片 时便会产生位移，从而使感压膜片与两固定电极所形成的差动电容器之电容量发生变 化。此差动电容由电容电流( c i ) 转换电路转换成直流电流信号，电流信号与调零信号的 代数和同反馈信号进行比较，差值送入放大电路，经放大后得到标准的电流输出信号1 0 。 转换放大电路的作用是将测量部分输出的差动电容的相对变化值。转换成标准的电流输 出信号。其原理框图如图3 5 所示。 图3 5 转换放大部分电路原理图 f i 9 3 5s c h e m a t i cd h g 憎mo f n v e r t e r _ m p n a e rc i 比u n 1 5 第三章辅助教学设备的硬件设计 该电路包括c i 转换电路和放大及输出限制电路两部分。分别由高频振荡器、解调 器、振荡控制放大器以及前置放大器、调零与零点迁移电路、量程调整电路、输出限制 电路等组成。 c i 转换电路的功能是将差动电容的相对变化值成比例地转换为差动电流信号。主 要由高频振荡器、解调器、振荡控制放大器组成。 放大及输出限制电路的功能是将差动电流信号放大，并输出牝o i n a 的直流信号。 主要由前置放大器、调零与零点迁移电路、量程调整电路、输出限制电路等组成。 3 ) 涡街流量变送器模拟转换电路 涡街变送器的结构框图如图3 6 所示： 4 2 u r n a 图3 - 6 涡街变送器结构框图 f i 9 3 - 6 乳m c t u nd 妇g r a mo fv o r t e xt 憎n s d u r 涡街流量变送器模拟转换电路是将压电传感器的交变电荷信号变为电压信号，经过 放大、滤波、整形、输出脉冲给c p u 处理。下面具体分析每部分的作用及实现电路。 电荷电压转换放大：把来自压电晶体的交变电荷转变为同频率的电压信号。设计 时要求电路中所选择的运算放大器具有低漂移、宽频带、高增益和高输入阻抗等特性。 为了提高输入级的共模抑制能力，可采用双端输入的差动放大器。实现电路如图3 7 所 示。 j j 邕篙； 图3 7 电荷电压转换电路图 f i 9 3 7c i r c u i tm a g n mo fc o n v e 璐i o nf n mc h a r g et ov o l t a g e 前置放大器：经电荷电压变换器的电压信号较微弱，经过放大器进一步放大。 低通滤波：涡街信号是夹带着复杂的噪声信号，为了消除噪声信号，设置低通滤波 器。系统采用了由电阻、电容和运算放大器构成的有源低通滤波器。实现电路如图3 - 8 所示。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 u 1c o 一一 图3 8 低通滤波电路 f i 9 3 8h w - p a 黯励t e rc i r c u n 整形器：从低通滤波器输出的正弦波信号应转换成具有一定电平的方波脉冲信号， 需选用施密特触发器进行触发整形。由于施密特触发整形器电路对输入、输出信号具有 滞后作用，因此能够有效地防止由噪声产生的振荡。其结构如图3 9 所示。 r 1 4 图3 9 整形电路 f i 9 3 9s h a p i n gc i r c u i t ( 2 ) 数字处理电路设计 数字处理电路主要包括a d 转换、单片机、d a 转换、液晶显示和通信电路等几个 模块。该部分的总体设计框图如图3 1 0 所示 v d d