压力变速器的设计.doc

山西职业技术学院毕业论文 16毕 业 (设 计) 论 文题目： 压力变速器的设计 系 部 ：电气工程与自动化 专 业 ：机电一体化 班 级 ： 姓 名 ： 指导教师： 目录摘 要21 需求的提出32 新电路结构与工作原理43 新电路功能描述63.1 基准电压源83.2 数字输入/输出端口83.3 恒压恒流激励方式说明83.4 液晶/OLED显示接口说明83.5 HART通信说明94 新电路的应用范围95 新电路采用的抗干扰措施和可靠性措施106 新电路设计的压力变送器技术指标117 典型应用电路128 电路的其它有点139 综述15参考文献16摘 要本文首先阐述了目前压力变送器采用的传感器种类，并说明采用传统的信号处理电路需要不同的电路与之配合使用，造成产品种类较多，不宜量产。然后本文详细介绍了一种崭新的设计思想，采用这种电路能支持各种压力传感器，包括陶瓷电容、陶瓷压阻、扩散硅、蓝宝石、溅射薄膜、应变片、称重传感器、3051/1151传感器、单晶硅压力、二四线电阻等连接。新电路可以提供软件可控的恒压、恒流输出给传感器，并可以采集两路差分或四路单端输入信号（用于传感器温度漂移补偿），主电路拥有很小尺寸32.4mm22.6mm5.6mm（该尺寸可以用于原模拟投入式仪表的壳体，并将在2005年底推出29.5mm21.5mm5.1mm姊妹产品应用于1英寸直径投入式壳体的产品）。本文同时介绍了压力变送器采用的四级抗干扰保护措施以及他们的功用，并介绍树脂密封主电路和六面电磁屏蔽的设计方法，这些特殊设计使产品拥有了极高的可靠性和良好的抗干扰特性。最后，本文给出了通用压力变送器的主要指标和典型应用图，并列举了其在HART数据通信方面的特点和优势（恢复出厂设置、可控传感器增益等）。关键词：压力变速器、原理、电路、故障分析。 1 需求的提出压力变送器是工业控制系统使用最多的设备之一，目前压力变送器使用的传感器种类较多，有陶瓷电容、陶瓷压阻、扩散硅、蓝宝石、溅射薄膜、应变片、称重传感器、3051/1151类金属电容式传感器、单晶硅压力（差压）传感器、霍尔传感器等。由于这些传感器的负载阻抗、激励方式、输出信号灵敏度、补偿方式均不相同（参阅表1），所以以往的变送器均有不同的配套电路与相应的传感器配合，产品种类较多，给生产制造部门和采购部门带来很多不便，另外也使供货周期延长。 表1：部分压力传感器典型特性（各厂家实际传感器可能有较大差别）传感器特性陶瓷电容扩散硅溅射薄膜应变片称重传感器霍尔传感器负载阻抗内有电路2K10K约5K20010K3502K3501K激励方式恒压5.0V/2mA恒流0.51.0mA恒压5.0V/1mA恒流1.0mA恒流1.0mA恒流1.0mA输出信号范围0.5V4.5V3mV85mV约5.0mV1mV100mV300uV5.0mV3.05.0mV温度补偿方式内部自补偿电路零点量程电阻补偿多点补偿零量补偿不必要双传感器自补偿2 新电路结构与工作原理能不能设计一种信号处理电路，配合软件控制，能满足所有的压力传感器的使用需求呢？答案是肯定的。我们设计了一款如下信号处理电路结构（见图1），压力变送器总体电路原理框图见图2。图1 信号处理电路框图智能仪表最小配置AD CPU DA电流驱动传感器激励AD采集主通道1AD采集温度通道2RS232串口显示接口HART调制解调按键发送电路RC幅值控制带保持功能电流控制输出LCD显示总线HART总线接口电压驱动传感器激励带通滤波电路输入保护5V降3V电源电路程序写入PGAPGA05V01mASPI/中断REF2.5V输出图2 压力变送器总体电路框图本电路的工作原理如下：首先根据传感器的激励要求，由CPU设定DA转换器的输出电压值，该电压值可直接用于驱动需要恒压激励的传感器；DA转换器的输出电压再经过配有镜像电流源的电流转换器，输出相应的传感器激励电流。该镜像电流源的选用对兼容电压驱动的传感器有至关重要的作用，它能使传感器在使用电流激励时另一端接地，这样就能在各种情况下，满足AD转换器前端的程控放大器（PGA）的输入信号共模要求。得到正确激励的压力传感器能输出一个对应实际压力的电压值，该电压值可能小至300uV也可能达到4.5V。为了使各种传感器都能得到良好的采集精度，必须正确设置AD前端的PGA，在300uV时，设置PGA为最大值128倍，可使AD输入达到38.4mV，对应AD的2.5V的采集范围，浪费了最高的6位数据，但由于ADC可以达到实际18位的有效精度，因此该信号实际的测试结果可以得到12位的转换精度；在4.5V时，PGA为最小值1，它此时的采集范围可达到5.0V（使用2.5V档），满足采集要求。电路中设置的4输入信号切换开关，可以采集更多通道的数据，比如用于传感器温度漂移补偿的温度传感器。由于切换开关还可以把AD的某一输入端切换到模拟地，所以该系统可采集两路差分信号或四路单端输入信号（当然也可以采集一路差分和两路单端输入信号）。全部电路还包含供电电源电路、HART数据通信电路、LCD显示接口、ISP程序升级接口等，最终与信号处理电路及CPU模块组成一个完整的通用压力变送器电路。3 新电路功能描述本电路是符合HART协议的高集成高性能压力变送器电路主卡，内含24位高分辨率-模数转换器，4通道多路开关，输入缓存器，可编程增益放大器（PGA），温度传感器，内部低温漂基准电压源，MCS51内核，高可靠数据EEPROM，16位数模转换器，程序/数据FLASH存储器和数据RAM，集成HART调制解调器等。功能描述图如图3所示。图3 压力变送器电路部分的功能描述图24位-模数转换器 本电路包含集成的-模数转换器部分由模拟多路开关(MUX)、可选择缓冲器（BUFFER）、可编程增益放大器（PGA）、基准电压源、数字滤波器等组成。4路模拟多路开关（MUX）和传统的ADC多路开关相比具有很大的灵活性，软件可配置提供2路差分输入通道或4路单端输入通道。输入缓冲器可以提高ADC的输入阻抗，但输入电压范围只能从50mV3.5V。电路配置的PGA具有很宽的增益范围，有1128倍的可变增益，PGA的使用提高了ADC的有效分辨率，从而显著提高了小信号模数转换的有效精度。本电路能提供自身的温度采集与显示（配合LCD或HART数据通信读取）。3.1 基准电压源本电路内置高稳定的2.5V 5ppm基准电压源可给传感器或传感器内置电路提供基准，从而节省用户费用；另外也是变送器的整体温度指标大为提高。3.2 数字输入/输出端口本电路数字输入输出电路都为CMOS电平，输入缓冲器为施密特触发器，可以减小输入信号的噪声。接口基本均为复用型，用户可分别做中断、SPI、UART、PWM、计数器、捕获等使用。这些功能主要预留用于差压变送器用于流量测量时使用，可进行多CPU信息交互与控制。3.3 恒压恒流激励方式说明本电路支持恒电压和恒电流两种传感器驱动方式。这是靠电路内置16位数模转换器实现的，16位ADC直接输出电压信号VDAC，VDAC输出电压大小可以通过软件来改变，VDAC的输出为02.5V可控输出。通过软件设置恒流输出功能，可以在恒流激励端输出01.0mA的电流值。如果传感器需要更大的电流传感器激励，可以使用扩流MOS管配合IDACSET引脚使输出电流达到2.0mA。3.4 液晶/OLED显示接口说明本电路提供液晶/OLED显示接口（用户可以不使用显示器），完全兼容华控公司的显示模块产品，液晶模块接口为单排2.5mm插座，信号定义如下（OLED产品接口请参阅华控提供的免费电路图）：图4 液晶显示模块接口定义3.5 HART通信说明本电路HART通讯部分包括硬件滤波模块、HART解调模块和HART调制模块。HART电路特性符合国际HART通信基金会（HCF）HART协议规范，且输出波形为EMI更小的三角波，输入电路具有载波有效检测电路，通信十分可靠。HART通信是现有420mA仪表的主要通信标准，在世界范围内有70以上两线制仪表采用HART通信协议。4 新电路的应用范围本电路可以提供软件可控的恒压、恒流输出给传感器，恒压由软件可设定为02.5V输出，恒流由软件可设定为01.0mA输出。因此，本电路可以给【表1】所列的所有传感器提供合适的激励。通过AD转换器输入开关切换，本电路的四个模拟输入线可以采集两路差分或四路单端输入信号。除了主采集通道外，其它通道可用于采集传感器温度进行温度漂移补偿，也可以用于差压变送器做流量采集时的静压补偿。本电路配备不同的软件或进行软件组态，可以用于各类压力变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器质量流量计等。本电路实现后的主电路尺寸，仅有32.4mm22.6mm5.6mm（姊妹产品尺寸29.5mm21.5mm5.1mm），该尺寸可以用于原模拟投入式仪表的壳体（国外为外径1英寸，国内为内径1英寸）。截至目前，世界上还没有厂家能在如此小的体积内实现带有HART协议的智能化仪表。5 新电路采用的抗干扰措施和可靠性措施随着现场设备越来越多地使用变频调速机构和功率更大的分断器、电动机、电磁阀，以及现场安装调试使用的大功率对讲机等，都使现场的干扰越来越强也越来越复杂。因此，在使用本电路的压力变送器中，特别采用了四级抗干扰保护措施以使产品具有良好的抗干扰特性。对于差模干扰信号，我们首先在电源输入线使用TVS器件进行电压钳位，然后使用EMC电磁吸收元件吸收剩余的脉冲干扰。在CPU以及运放等敏感电路的电源，为了防止差模的干扰造成程序跑飞，再次使用了EMC与TVS器件吸收并钳位噪声电压，并使用了双看门狗结构使意外的程序跑飞能使系统复位。关于双看门狗结构的优点，在这里简单介绍如下：本电路同时配备超时复位看门狗和定时复位看门狗，超时复位看门狗需要软件在规定时间内喂狗（清零计数器），如果程序跑飞超过规定时间没有喂狗，就会复位CPU使系统重新运行；定时复位看门狗不需要软件控制，这样如果程序跑飞后，运行的非法程序仍在喂狗，就能在一定时间后（大于超时复位时间），复位CPU使系统重新运行；这种特殊的双看门狗结构可确保系统不会出现彻底死机现象，保证控制系统的稳定运行。对于共模干扰信号，压力变送器的设计采用了双穿心电容配合端子接线板侧的共模抑制线圈来消除（这依赖于变送器最后的总体安装）。经测试，该方案可有效过滤对讲机等射频干扰。为了更好的抑制射频干扰，我们还使用了六面电磁屏蔽的设计方法，并使屏蔽端有效接地或连接仪表壳体。为了解决压力变送器安装在管路上的持续的振动造成失效，我们对主电路使用树脂密封的处理方法，电路板在安装入壳体时加装缓冲垫片吸收一定的振动，这样使产品的抗振性大为提高。综合这些特殊设计，使该产品拥有了极高的可靠性和良好的抗干扰特性。6 新电路设计的压力变送器技术指标表2：通用压力变送器的主要指标参数测试条件最小典型最大单位总线工作电压112436V模拟输入范围182500mV输入电流Buffer on0.5nA可编程增益放大器（PGA）1128模拟转换分辨率24BIT共模抑制比F=50Hz120dB电源抑制比65dB温度漂移5ppm/模拟输出电压4.905.005.10V输出电流能力（总可用电流）2.0mAHART总线输出特性输出电流3.821.5mA模拟输出精度0.05%FS模拟输出温漂2550ppm of FS/HART通讯幅值总线电阻500500560600mVp-p7 典型应用电路本电路只需外加压力类传感器和液晶显示模块，既可组成一台智能变送器（如扩散硅压力变送器）。如下所示，通过IDAC引脚提供恒电流激励给传感器，通过AIN1+和AIN1-采集传感器主变量值，把主变量信号变成420mA电流信号输出，并且在电流信号上叠加HART数字信号。外加液晶显示接口即组成HART 数字表头。其它各类压力变送器、差压变送器、流量变送器、液位变送器质量流量计等，均可采用类似的连接方式，只是要通过HART通信设置传感器激励方式和信号的采集范围。传感器AIN1+AIN1-LOOPRTNLOOPINIDACAGNDDISPCSDISPCLKDISPDAT液晶模块负载电阻24V+24V-420mA+HARTH100A图5 通用压力变送器的典型应用图8 电路的其它有点这款通用压力变送器配合内置的嵌入式软件还有一些其它优点，如下：2.50V 5ppm基准输出同时可提供02.5V任意基准电压输出软件可控的信号输入范围（18mV2.5V）【可接受5V单极性输入】软件可选恒压、恒流传感器驱动方式（05V或01mA）【可扩展至2mA恒流驱动】软件可设置的恒压激励电压或恒流激励电流电路内置各种抗干扰保护元件（最大瞬态噪声吸收功率达175W）数据保护机制与数据备份和恢复功能优化的通信波形，良好的通信效果在板可重新编程，实现软件更新或升级四层板并实现全金属屏蔽、全部胶封，实现更高的可靠性和抗干扰特性快速的产品交货周期与最小的库存环境温度显示功能可用于小体积的投入式仪表（尺寸只有模拟变送器大小）该产品的生产与检验可采用计算机控制的全自动工艺流程设计保证电源可靠上电与高干扰电源的可用性在这里特别值得一提的是数据保护机制与数据备份和恢复功能。在越来越复杂的工业现场，各种强干扰无处不在，即使我们的产品配备了四级抗干扰保护措施，如果出现超过我们保护能力的干扰出现，干扰还是可能进入变送器内部的电路部分，这些干扰对仪表最大的永久性伤害在于使内部EEPROM数据丢失（RAM数据的改变会通过复位自动消除故障暂时性故障）。因此本仪表在不操作时使EEPROM处于断电状态，并在读取时处于写保护状态，由于仪表只有在复位和修改参数时才需要读写EEPROM，因此使EEPROM数据丢失的可能性降至最低。EEPROM数据备份与恢复功能是结合用户的需求添加的辅助功能。现在由于系统集成商和现场安装操作人员的素质和知识水平良莠不齐，经常出现将仪表