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几种自动化仪表辅助教学仪器的研制 丁明亮( 检测技术与自动化装置) 指导教师：耿艳峰( 副教授) 摘要 自制教学设备作为高校教学实验改革的重要组成部分，不仅推动了教 学内容和教学方法的进步，而且促进了学校科研课题的落实和完成。同时， 它也是体现高校教学质量的一项重要指标。目前，许多高校都在积极的进 行这方面的尝试与研究。 鉴于自制教学设备的重要性，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，设计实现了智能仪表辅助教学 设备和气液两相流持液率测量辅助教学设备。 依据教学的实际需要，辅助教学设备应具备向学生清晰演示仪表内部 结构原理以及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， 加强学生的实验能力，进一步提高教学质量。智能仪表辅助教学设备在软 硬件设计上都采取模块化的设计思想，将整个设备按功能划分为不同的模 块，独立设计完成；设计中增加了中间变量的接口电路，并设计完成了简 洁易懂、方便教学的演示面板，克服了现有自动化仪表仅仅完成仪表输入 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现状，真正 起到了改善高校实验教学现状和强化辅助教学的目的。持液率测量辅助教 学设备根据电导法测量原理，设计实现了用于气液两相流持液率测量的信 号处理电路，在电路硬件设计上也采取模块化的设计思想，通过对电路进 行仿真调试和实验论证，该设备也已达到了预期的要求，为油气储运学科 的多相流界面含液率测量与教学提供了方便。 关键词：自制教学设备；h a r t 协议；持液率：模块化设计；电路调试 t h ed e v e l o p m e n to fs e v e r a la u t o m a t i cd e v i c e sf o r e d u c a t i o n a lp u r p o s e d i n gm i n g l i a n g ( m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o n e q u i p m e n t ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rg e n g y a h f e n g a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tp a r to fu n i v e r s i t yt e a c h i n g e x p e r i m e n ti n n o v a t i o n , s e l f - m a d et e a c h i n ge q u i p m e n tp r o m o t e st h ep r o c e s so ft e a c h i n gc o n t e n ta n d m e t h o d s 够w e l la st h ef u l f i l l m e n to fs c i e n t i f i cr e s e a r c h m e a n w h i l ei ta l s o w o r k sa sa ni m p o r t a n ti n d e xw h i c hs h o w st h eu n i v e r s i t yt e a c h i n gq u a l i t y a t p r e s e n t ，m a n yu n i v e r s i t i e sa r ea c t i v ei ne x p e r i m e n ta n dr e s e a r c hi nt h i sw a y b e c a u s eo ft h e i m p o r t a n c e o fs e l f - m a d et e a c h i n ge q u i p m e n t ，c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u ma l s op a y sa t t e n t i o no nt h er e s e a r c ha c c o r d i n g l y t h i s p a p e rd e s i g n sa s s i s t a n tt e a c h i n ge q u i p m e n to fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ta n dl i q u i d h o l du pm e a s u r i n ge q u i p m e n to fg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wc o m b i n e dw i t ht h e t e a c h i n gp r a c t i c eo fa u t o m a t i o ni n s t r u m e n t b a s e do nt h ea c t u a lt e a c h i n gd e m a n d s ，a s s i s t a n tt e a c h i n ge q u i p m e n ts h o u l d h a v et h ea b i l i t yt h a tc a ns h o wt h ee x a c ti n n e rs t r u c t u r ep r i n c i p l eo fi n s t r u m e n t a n dt h et r a n s f e rp r o c e s so fs i g n a l nw i l lh e l pt h es t u d e n t su n d e r s t a n dt h et h e o r y a n di m p r o v et h e i re x p e r i m e n ta b i l i t ys o 勰t oe n h a n c et h et e a c h i n gq u a l i t y t h e d e s i g n so fs o f tw a r ea n dh a r dw a r ea r ea l lm a d ei nm o d u l a r i z a t i o na n dd e s i g n e d s e p a r a t e l y i n c r e a s ei n t e r f a c ea m o n gi n t e r m e d i a t ev a r i a b l e sa n dd e s i g nc l e a ra n d c o n v e n i e n td e m op a n e lw h i c ho v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g et h a tt h ee x i s t i n g i i i a u t o m a t i o ni n s t r u m e n tc a n n o th e l ps t u d e n t su n d e r s t a n dt h ei n n e rw o r k i n g p r i n c i p l eo fi n s t r u m e n t b yt h i sw a y , u n i v e r s i t ye x p e r i m e n tt e a c h i n gr e a l i t ya n d a s s i s t a n tt e a c h i n gm e t h o dh a v e b e e ni m p r o v e d l i q u i dh o l du pm e a s u r i n g e q u i p m e n ti sd e s i g n e db a s e do nc o n d u c t a n c em e a s u r i n gm e t h o da n dr e a l i z e s s i g n a lp r o c e s sc i r c u i to fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o ww h i c hi sa l s od e s i g n e di n m o d u l a r i z a t i o n b ys i m u l a t i o na n dd e b u g g i n go ft h ec i r c u i t ，t h i se q u i p m e n t h a s r e a c h e dt h ep r e v i o u sr e q u i r e m e n t sa n do f f e r e dh e l pf o rm e a s u r i n ga n dt e a c h i n g o f l i q u i dh o l du po f m u l t i p h a s ef l o w k e yw o r d ：s e l f - m a d et 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 ，l i q u i dh o l du p ， d e s i g ni nm o d u l a r i z a t i o n ，c i r c u i td e b u g g i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 石油大学或其它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 示了谢意。 签名：五明毛吖年 石月 le l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 互蜩毛。7 年 6月 fe 1 月i e l 中国石油大学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 论文选题背景和意义 现代信息技术的发展为高校教学设备的改善提供了良好的条件。传统 的纯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。实验因其直观性、实践性、科研性及综合性等独特 条件，在高校的整个教学体系中占有十分重要的地位，各高校都在积极的 进行实验室的建设。而辅助教学设备的研制应用于教学实验是高等教育改 革的大势所趋，符合了现代实验教育的要求。自制教学设备不仅推动了教 学内容和教学方法的改革，符合高校办学的具体要求，而且保证了学校科 研课题的落实和完成l lj 。另外，自制设备与同类型的购置设备相比，其教学 效果和经济性要更强。 如今各高校都十分重视自制教学设备，自制教学设备的多少已经被看 作是高校教学质量的一种具体体现。可以起到改善教学条件、开发创新实 验项目、致力于提高教学质量等作用。同时自制实验教学仪器设备对于满 足实验教学需要，推动实验教学改革，提高实验室技术水平，弥补经费不 足均大有益处。在某种意义上说，自制教学设备是教学仪器在研制和改进 上的生命源弘j 。 结合中国石油大学自动化仪表类课程的教学实际，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 的尝试，自行研制了智能仪表辅助教学设备及气液两相流持液率测量辅助 教学设备。 1 2 论文研究内容 本课题主要完成了智能仪表辅助教学设备、气液两相流持液率测量辅 助教学设备的设计与实现。 智能仪表辅助教学设备，是在充分了解国内外自制教学设备和智能仪 表发展现状的前提下，并结合仪表类课程教学的实际情况设计完成的第一 中国缸油人学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 套教学工具。主要完成了相应的硬件电路设计调试以及软件部分的设计与 调试，通过设计中帕j 变量测量接口以及设计功能完善的演示面板来最终实 现方便教学的目的。 气液两相流持液率测量辅助教学设备，是在分析现有的测量气液两相 流持液率方法的基础上，并结合自动化及测控技术与仪器专业的相关知识， 设计实现了利用电导法测量气液两相流持液率的教学设备。主要完成了测 量电路的设计与调试，并通过实验论证其可行性和实用性，达到了预期的 效果。 2 中国石油大学( 华尔) 硕十论文第2 章辅助教学设备的设计思想 第2 章辅助教学设备的设计思想 2 _ 1 智能仪表辅助教学设备设计 2 1 1 总体设计方案 在充分了解国内外自制教学设备和智能仪表发展现状的基础上，采用 模块化设计思想，将智能仪表内部器件各个部分进行细化，对其各个功能 模块加以制作改进。按功能的不同分别把硬件和软件分成若干个模块，并 在设计中增加了中间信号转化的测量接口，使中问信号的变化能够直观的 呈现出来；通过简洁易懂的面板演示，让学生更易理解智能仪表内部模块 的工作原理以及仪表设计的基本过程，以作教学之用。图2 1 是智能仪表辅 助教学设备的工作原理图： 图厶l 工作原理图 在具体设计中，首先按辅助教学设备的功能要求制定出总体设计方案， 然后再进行硬件和软件的具体设计。在进行硬件和软件设计时，遵循从整 体到局部也即自顶向下的设计原则。把硬件和软件分别分成若干个小模块， 即模块化设计。每个模块可以作为单独的实体进行设计和调试，在各部分 调试通过后，再进行总调，从而完成整个系统的设计。 图2 2 为系统设计与开发的总体方案。 中国彳i 油人学( 华自：) 硕十论文第2 章辅助教学设备的设计思想 l 总体设计方案i i ，l i 硬件设计ll 面板设计ii 软件设计l li ilii 模撕 换数字处理测控程序 h a r t 通信程序 i iii 口 芦申申审申窜申目审审审审唪 国国 ll l l l 实验扳安鹾调试ii 程序编写l 图2 2 总体方案 如图2 2 所示，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，然后进行实验板安装调试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、演示明了。 3 、进行教学设备软件设计。首先熟悉p i c 程序开发软件m p l a b i c d 2 ， 然后将软件总框图中的各个功能模块具体设计，逐级画出流程框图，编写 4 中国石油大学( 华尔) 硕十论文第2 章辅助教学设备的设计思想 程序逐步调试。 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 2 模块化设计 辅助教学设备采用模块化设计思想，将教学设备分模块进行设计，按 功能不同把硬件和软件分成若干个模块，分别进行设计和调试，然后再连 接起来，进行总调。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。另外，模块化设计还可以让整个仪表的工作过程清晰明了， 让学生知道每个模块具体实现的功能，从而更好的理解智能仪表的工作原 理和过程，达到辅助教学的目的。 在设计中，主要分3 部分实现：硬件设计、软件设计和面板设计。 硬件电路的设计主要包括模拟转换电路和数字处理电路( a d 转换、单 片机、d a 转换、液晶显示和通信电路) 两大模块。软件设计主要包括三大 程序模块：主程序、测控程序和h a r t 通讯程序。面板设计主要实现智能 仪表教学设备的演示功能。 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 别介绍下每个模拟转换电路中预留的测量接口。 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章辅助教学设备的设计思想 幽2 - 3 温度模块中间变量接口 温度模块：图2 3 示出了温度模块的中间变量测量接口。由于该模块处 理的是热电阻( r t d ) 检测的信号，原理是根据r t d 阻值随温度变化而变化 的特性，通过在r t d 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 t 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。 幽2 _ 4 筹压模块中间变量接口 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 m a 电流信 号i o 。 幽2 - 5 涡街模块中间变量接口 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， 6 中国石油大学( 华东) 硕十论文 第2 章辅助教学设备的设计思想 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 m a 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 m a 电流 信号。 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。所以面板的设计思想就是能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： 图2 - 6 设备面板设计方案 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 中国彳- 釉大学( 华尔) 硕十论文第2 章辅助教学设备的设计思想 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。 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4 2 0 m a 电流以及1 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 气液两相流持液率测量辅助教学设备设计 2 2 1 总体设计方案 在分析现有的测量气液两相流持液率方法的基础上，最后选择了利用 电导法来测量气液两相流的持液率。设计中首先对信号提取的原理进行了 分析，再结合自动化等专业的相关知识，设计了信号转换所需的硬件实现 电路。电路完成后，利用仿真软件对电路进行仿真调试，从而进一步优化 电路。最后通过实验进行论证，达到预期要求后，进一步完成实验箱的设 计，进而完成整个教学设备。 2 2 2 模块化设计 在具体设计中，本设备也是采用模块化的设计思想，将整个设备分模 块进行设计，每个模块都独立设计、仿真和调试，最后连接起来进行总调。 通过模块化设计，让学生充分理解信号转化的具体过程，即电导探针 测量的信号是如何一步步转化成能反映持液率的电压信号，从而更好的理 解传感器进行信号提取和转换的工作过程，以达到辅助教学的目的。各模 块的具体设计详见3 2 2 节。 8 中国彳i 油人学( 华尔) 硕十论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 第3 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 路作一步步细分，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 系统整体设计方案 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设计和数 字处理电路模块两部分。模拟转换电路主要完成信号的放大和滤波等功能： 数字处理电路模块包括m 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 转换模块将模拟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、线性化处 理、标度变换、显示控制、输出控制等功能；存储器用来存放各种组态命 令、工作参数、通信数据等；d a 转换模块除完成4 2 0 m a 电流信号输出， 还与调整管n d 2 0 2 0 l 一起组成电源模块为系统提供电源及参考电压，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 m 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处理部分的信息和输出文本信息，直观显示仪表的工 作过程。 在各模块电路的初步设计完成后，进行实验板的调试，以便对电路进 行验证、修改和改进。在对设计的硬件电路完成安装调试后，便设计一些 调试程序或采用软件设计中的某些程序，来对相应的硬件电路进行检查。 待电路板调试成功后，即可制作印制电路板。 3 1 2 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。由于本系统必须满足两线制仪表的要求，电路功耗 空载电流不得超过4 m a 的回路电流，因此，在设计时所有的电路元件都选 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 9 中国石油人学( 华尔) 硕十论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 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 是p i c 系列中的中高档产品，采用精简指令集r i s c 、哈佛 总线结构、二级流水线取指令方式。它具有开发容易，周期短；代码压缩 率高；低功耗；具有丰富的外围功能模块；开发方便等特点【3 1 。 m i c r o c h i p 公司为p i c 系列单片机配备了功能强大、基于w i n d o w s 系统、易学易用的软件集成开发环境m p l a b i d e 。利用该软件可实现程序 编写、模拟仿真和在线调试等功能，为用户学习实践、应用开发提供了极 大的方便。 ( 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：读电流1 5 0 0 n ；写电流3 m a ( 5 v 供电) ，一般出现在数据通信完成之后的很短时间内，只要规定在通信时 4 2 0 m a 电流信号作废，即可解决功耗要求问题；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a d 4 2 1 芯片 作为电源及d a 转换模块。a d 4 2 1 是一款高性能的数模转换器，是专为 h a r t 协议智能仪表设计的。a d 4 2 1 基本性能如下 4 1 ：2 种工作方式：4 2 0 m a 输出方式和3 5 2 4 m 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 h r t ，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 1 h r t 的主要技术性制5 1 ： 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； i o 中国石油大学( 华尔) 硕十论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 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【6 】： 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 6 4 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 3 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 马匦乎壤曩蓄蔷慧嚣一 图3 - 1 温度变送器的结构框图 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川。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( r t 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4 2 0 m a 标准的电流信号。 中国t i 油人学( 华尔) 硕十论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 a d 6 9 3 是美国模拟器件公司( a d i ) 专门开发的4 - 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( r t 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。 a d 6 9 3 主要由4 部分组成：信号放大器、辅助放大器、参考电压和补 偿放大器、电压电流变换器【踟。 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。辅助放大器用于为一些 传感器( 如压力、热电阻) 提供恒流源。可以利用辅助放大器为1 0 0 f l 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o 1 0 4 。基准电压为v i 变换器提供不同的零点应用电压。 v ，i 变换器根据输入信号的大小输出4 - - 2 0 m a 的电流。 利用a d 6 9 3 设计的实现热电i n ( r t d ) 和热电偶的测温转换的电路原理 图如图3 ，2 。 圈3 - 2 温度模拟转换电路原理图 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 2 ，在用于热电阻测温时，首先将电路板上的拨码开关s 1 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 中国石油人学( 华东) 硕十论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 s 1 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 ) r 。，= 帆。一1 2 ) 2 0 m a ( 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 ，电阻晟和电位器彬构成了信号调零电路。 暇和r ，由公式( 3 2 ) 和( 3 - 3 ) 联合计算可得： r v , = 0 6 v i ) 一4 0 0 ( 3 - 2 ) r 5 = 啊3 1 v o s , , v + 1 月x 3 7 5 0 ) ( 3 3 ) 式中，。为用彬调节输出电流的调节量，如选取i a = 2 m a ，则= 4 0 0 ， r ，= 6 9 k q ，选取标称值彤= 5 0 0 f 2 ，r ，= 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r c o m r 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 【9 】 表3 - i 热电偶冷端补偿 输人3 0 m v输入6 0 m v 极性 类型环境温度r c o n m ( 欧)r z ( 千欧) 测温范围测温范围 +j 2 5 5 l7 3 0 15 4 61 0 3 5 j7 5 e 5 3 6 2 9 45 4 61 0 3 5 +k2 5 4 02 3 9 27 2 1 k 7 5 4 2 2 3 7 47 2 1 +e2 5 6 0 4 2 6 l4 1 3 1 8 7 1 2 e 7 5 6 49m 3 4 1 37 8 7 +t2 5 4 02 3 9 2 t7 , 5 4 5 3 斟0 中国4 i 油人学( 华尔) 硕十论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 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 3 所示 幽3 - 3电容式差压变送器结构框图 电容式差压变送器的具体工作过程 t o l ：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 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 - 4 所示。 图3 - 4 转换放大部分电路原理图 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 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 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4 - - - 2 0 m 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 5 所示： 4 2 0 m a 图3 - 5 涡街变送器结构框图 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【l l l 。下面具体分析 下每部分的作用及实现电路。 电荷电压转换：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，采用的是双端输 入的差动放大器。实现电路如图3 - 6 所示。 圈3 - 6 电荷电压变换电路图 前置放大器：经电荷电压变换器的电压信号较微弱，同时为适应不同 密度介质的流量计算，设置可调增益电压放大器，以使变送器在各种工作 条件下均能输出品质良好的信号。 中国石油人学( 华尔) 硕十论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 瞥飘 r 1 4 幽3 - 8 整形电路 ( 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 - 9 所示 1 6 羔 2 一 0 1 m 中国石油人学( 华尔) 硕十论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 圈3 - 9 数字处理电路发计框图 其中，i c s p 为在线串行编程接口，也用于在线调试和仿真。下面具体 分析下每个模块的设计电路。 1 ) a d 转换模块 由于p i c l 6 f 8 7 7 单片机内置a d 转换功能，不需外加任何硬件电路， 让模拟信号直接进入单片机的模拟转换引脚即可。p i c l 6 f 8 7 7 的m d 转换 值为1 0 位，可设置1 8 个a d 转换通道。 在设计中，我们采用了其中的三个模拟转换通道r a 0 、r a 3 和r a 5 ， 分别用于温度、差压和涡街三个模拟转换模块的信号转换。具体应用通过 软件编程来实现。 2 ) e e p r o m 读写电路 在设计中，外部扩展e e p r o m 采用软件模拟1 2 c 串行通信对2 4 l c 6 5 进行读写操作。图3 1 0 是2 4 l c 6 5 的应用电路图。如图所示，2 4 l c 6 5 的 s c l 、s d a 引脚分别与p i c l 6 f 8 7 7 的r b 2 、r b 5 引脚相连。i 2 c 总线是由 数据线s d a 和时钟线s c l 构成的串行同步传输总线，可发送和接收数据。 1 7 中国石油人学( 华尔) 硕十论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 幽3 1 02 4 l c 6 5 的应用电路 串行数据( s d a ) 引脚为双向引脚，用于把地址和数据输入输出器件。 该引脚为漏极- 丌路。因此，s d a 总线要求在该引脚与v c c 之间接入上拉电 阻。串行时钟( s c l ) 该输入引脚用于数据传输同步。s c l 与v c c 之间也需 要接入上拉电阻。 3 ) d a 输出和电源模块 设计中采用a d 4 2 1 芯片作为电源及d a 转换模块。在数字处理电路中， a d 4 2 1 主要提供以下三种功能： d a 转换功能 幽3 1 1a d 4 2 1 与p i c l 6 f 8 7 7 单片机应用电路 a d 4 2 1 具有1 6 位的数模转换精度，且数模转换速率较高。a d 4 2 1 与 8 中国石油人学( 华尔) 硕士论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 p i c l 6 f 8 7 7 单片机采用三线串行接口，应用电路如图3 1 l 所示。 如图所示，a d 4 2 1 的时钟线( c l o c k ) 、锁存控制线( l a t c h ) $ d 数据线 分别和p i c l 6 f 8 7 7 的r c 3 、r b 4 和r c 5 相连。 构成电源模块 设计中，由a d 4 2 1 外接耗尽型f e t 调整管n d 2 0 2 0 l 及n p n 型晶体管 b c 6 3 9 一起构成电源模块，将环路2 4 v 电压转换成集成芯片工作电压v c c ， 给c p u 、a d 、d a 、m o d e m 及传感器等模块供电，并由d a 模块控制 环路输出电流。 系统工作电压v e x ：选用+ 5 v ，所以设计时将l v 接c o m 时，即可满足 要求。如图3 1 1 所示，我们采用n p n 型晶体管b c 6 3 9 同调整管n d 2 0 2 0 l 一起构成复合管，以减少调整管n d 2 0 2 0 l 的功率负载。调整管n d 2 0 2 0 l 给v c c 供电，晶体管b c 6 3 9 承担b o o s t 电流，来提高v c c 到d r i v e 反馈 回路的稳定性。v c c 脚接1 0 u f 去耦电容，可以保证调整管输出稳定，并吸 收a d 4 2 1 及其它器件产生的尖脉冲。为了稳定电压调整器中的运放与外部 调整管形成的反馈回路，不仅在c o m p 与d r i v e 之间接0 0 1 u f 电容，还 要在d r i v e 与c o m 引脚之间接1 k q 电阻和1 0 0 0 p f 电容组成外部缓冲电 路。 提供h a r t 信号耦合端 h a r t m o d e m 发出的f s k 信号经过一个电容耦合至a d 4 2 1 的c ，端，即 可叠加到4 ，2 0 m a 环路电流信号上。 h a r t 输出信号在电流环路中应有l m a 的峰峰值【l4 1 ，这可以通过 在c ，引脚上施加适合的电压来实现。c ，和c 将从a 5 1 9 1 h r t 送来的h a r t 信号进行衰减，确保h a r t 传送期间环路中产生峰峰值为l m a 的 h a r t 信号。c ，引脚上的信号通过4 0 k电阻输入，并在4 0 q 取样电阻上 产生电流。因此，c 3 引脚上要求幅值为2 0 m v 的电压，在环路中可产生符 合要求的电流。根据的a 5 1 9 1 h r t 的值，可算出h a r t 所要求的衰减系 数： 2 0 m y f y h = c ck c c + c 3 ) ( 3 - 4 ) 1 9 生里型垫叁兰! 兰堑! 堕士论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 c ( = ( c 3 * 2 0 e 一3 ) ( - 2 0 e + 3 )( 3 5 ) 根据公式( 3 4 ) 和( 3 5 ) 可以算出c ，的值约为6 2 n f 4 ) l c d 显示模块 l c m l 2 8 6 4 z k 模块与微控制器p i c l 6 f 8 7 7 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。设计中，采用的是8 位并行模式。 图3 一1 2 是l c m l 2 8 6 4 z k 液晶显示模块与p i c l 6 f 8 7 7 单片机的8 位并行硬 件接口电路。 j d ld 1 v c c g d 2d 2 v n - l f d 3d 3 嚣 匹r d 4d 4 搿 z b 广_ _ 】 a 4 0 - - 4 4 v k 一 均r d 5d 5 u r d 6d 6 山 r d 7d 7 r c 2憨 k r c l栅 r ；n n r c 0e 幽3 1 2p i c l 6 f 8 7 7 与l c m l 2 8 6 4 z k 的并行接口电路 数据线d o d 7 接单片机的r d 口，三根控制线接r c 口，分别是：读 写数据起始脚( e ) 接r c 0 口，读写数据控制脚( p w ) 接r c l 口，选择寄存器 脚限s ) 接r c 2 口。l c m l 2 8 6 4 z k 模块使用+ 5 v 电源供电，背光源利用+ 5 v 串接限流电阻降压得到4 0 4 4 v 的电压。由于采用并行传输模式，引脚p s b 接高电平，即模块背面s p 的短路电阻接在“p ”侧；v r 和v 0 之间接5 k q 可变电阻，一端接v r ，调整端接v 0 ，另一端悬空；且可变电阻需调到显 示区域的底色刚刚显示出来为止。 5 ) h a r t 通信模块 h a r t 通信模块主要由h a r t 调制解调器a 5 1 9 1 h r t 和d a 转换器 a d 4 2 1 及其外围电路实现。h a r t 通信模块应用电路图如图3 一1 3 所示。 中国石油人学( 华尔) 硕十论文第3 章辅助教学设备的硬件设计 图3 1 3h a r t 通信模块应用电路 p i c l 6 f 8 7 7 串行通信的发送端口r c 6 与a 5 1 9 1 h r t 的调制器输入端 i t x d 相连，接收端f f l r c 7 与a 5 1 9 1 h r t 的解调器输出端0 r x d 相连，r b 0 、 r b 3 引脚分别连接a 5 1 9 1 h r t 的载波监听端口o c d 和发送接收请求端口 i n r t s 。a 5 1 9 1 h r t 的外围实现电路也比较简单，具体连接如图3 一1 4 所示 图3 1 4a 5 1 9 1 h r t 外围实现电路 其中，l o o p + 为4 2 0 m a 环路输入，v c c 为模块工作电压。 2 l 中国石油人学( 华尔) 硕十论文