基于ARM及溫度補償的智能變送器設計*

喬愛民,張 煒

(1．蚌埠學院，安徽 蚌埠 233000;2.蚌埠傳感器系統工程有限公司，安徽 蚌埠 233030）

傳感器是組建自動檢測與控制系統的重要環節。隨著自動檢測與控制技術的不斷發展，對傳感器的測量精度、傳感器信號傳輸距離、傳感器輸出信號的多元化等提出了更高的要求。針對傳統的模擬變送器的缺點，設計了一種基于精密模擬微控制器ADUC7061及具有溫度補償的智能變送器。該智能變送器具有溫度補償、軟件校準、模擬變送信號和數字信號雙重輸出、數字信號及模擬變送信號可在線重新配置等功能。該變送器具有智能化、結構緊湊、適用范圍廣、工作可靠、數字信號傳輸距離遠、精度高、較寬電壓電源輸入范圍等優點。

1 智能變送器的硬件設計

智能變送器由傳感器信號調理、電源電壓輸入調節電路、主控制電路、電流變送信號電路、RS485通信電路等模塊組成。其中的信號調理模塊對傳感器的毫伏級輸入信號進行濾波；主控制電路采用精密微控制器ADUC7061對濾波后的傳感器信號直接進行放大、A/D轉換等處理并對外圍器件進行控制；電源電壓輸入調節電路對12～36 V輸入的直流電源進行調節；電流變送信號電路受控于主控制電路，通過在線配置可產生4～20 mA、0～20 mA、0～24 mA等變送信號；RS485通信電路用于數字信號的傳輸和實現智能變送器與上位機之間的數據交互。智能變送器的硬件電路框圖如圖1所示。

1.1 信號調理電路設計

傳感器輸出信號一般為毫伏級，傳統的信號調理電路一般要用精密線性放大器對之進行放大后再進行A/D轉換。由于精密微控制器ADUC7061內部集成了精密的1～512倍程控增益放大器 (PGA)和可編程的數字濾波器，所以該信號調理電路只需設計簡單的低通濾波和EMI抑制，大大簡化了電路結構。電路圖如圖2所示。傳感器信號一般為差分毫伏級信號,圖中的Bead1、Bead2為貼片磁珠，可作為簡單有效的EMI濾波器，R1、R5、C2、C3、C4構成簡單的低通濾波,傳感器信號 SIG+和SIG-經濾波后輸入ADUC7061的差分模擬信號輸入通道。

1.2 電源調節電路設計

傳統的變送器輸入電源調節采用三端穩壓器件，如78系列，效率低，三端穩壓器件的輸入輸出電壓差不能太大。該智能變送器可以接受12～36 V直流電源電壓輸入，電源調節電路如圖3所示。電源主調節芯片采用德州儀器公司的TPS5430。TPS5430是一款低靜態電流、高效率、高峰值輸出電流（3 A）的集成開關型降壓穩壓器，使用時無需增加額外的散熱裝置。12～36 V的直流電源電壓輸入首先經TPS5430獲得3.3 V的電源供給智能變送器中要求3.3 V供電的芯片，3.3 V的電壓通過R15和R17匹配獲得，然后再通過LDO芯片HT7325獲得2.5 V的電源供ADUC7061和傳感器(在實際調試時，采用3.3 V給傳感器供電同樣可以得到較好的效果)。如果供電電源電壓更寬，則可以采用TPS54160來代替TPS5430。

1.3 主控制電路設計

智能變送器主控制器采用16/32位微控制器ADUC7061，ADUC7061是美國ADI公司推出的基于ARM7TDMI內核的低成本、精密模擬微控制器，片內資源十分豐富，具有很高的性價比。片內集成了雙 Σ-Δ型24位ADC、單端和差分模擬信號輸入通道、1～512倍的內部高精度可編程增益放大器(PGA)、片內精準時鐘、精密 1.2 V電壓參考 源 、16位/32位 RISC架 構 ARM7TDMI內 核 、SPI、UART、32 KB可在線編程Flash存儲器、4 KB的SRAM等片內外設，使之成為理想的單芯片高精度數據采集方案。所有的數字I/O口都兼容3.3 V電平，采用32腳的LFCSP封裝，體積小，代碼下載和調試可通過JTAG端口實現。智能變送器的主控制電路如圖4所示。圖中的ADUC7061的數字電源和模擬電源用 0 Ω電阻隔離，電壓均為2.5 V。實際使用時采用內部電壓基準和內部精準時鐘,利用內部可在線編程的Flash空余扇區保存系統參數，JTAG接口采用自定義的6芯接口實現在線調試和程序下載。DS18B20為數字溫度傳感器，用于測量傳感器的環境溫度，為傳感器的溫度補償提供環境溫度參數。

1.4 智能變送器信號輸出電路

智能變送器能輸出兩種信號：模擬電流變送信號和數字信號。模擬信號采用內置16位DAC的V/I轉換芯片AD5420產生。數字信號通過RS485實現遠傳，RS485通信芯片采用半雙工的MAX3485。智能變送器信號輸出電路如圖5所示。

AD5420是ADI公司推出的采用SPI接口輸入、內置16位DAC的高精度低成本 4～20 mA輸出的V/I轉換芯片， 電流輸出可配置為 0～20 mA、4～20 mA、0～24 mA 中的一種，總體誤差為0.01/FSR，具有能調節40 V輸入電壓的功能。圖中的R18為電流設置電阻，采用低溫漂金屬膜電阻。R13為限流電阻，防止外接負載很小時對AD5420的損害。

2 智能變送器的軟件設計

智能變送器的軟件設計部分主要包括ADUC7061的啟動代碼和初始化、A/D轉換結果的相關濾波、數據轉換等數據處理、零點校準和滿度校準、模擬電流變送信號輸出控制程序、溫度補償單元和串行RS485通信程序等。由于基于ARM7TDMI內核的AUDU7060內部集成了高精度的 24 bit Σ-Δ型ADC和其他的模擬外設，同時支持零點校準、滿度校準等系統校準功能，所以A/D校準和轉換值的獲取可以很方便實現;模擬電流變送信號輸出由ADUC7061控制AD5420產生，線性受控于輸出的數字信號。

2.1 溫度補償單元

傳感器的輸入輸出關系隨著環境溫度的變化而變化。設傳感器的被測量為x，輸出量為y，t為環境溫度。考慮環境溫度因素，傳感器靜態特性為：y=f(x,t),常表現為隨溫度變化的非線性特性，這與傳感器的理想輸入輸出關系y=kx相比，存在著線性誤差和溫度誤差。將y=f(x,t)按級數展開得：

則溫度變化帶來的傳感器輸出變化（溫度靈敏度）為：

由此可見，溫度變化必然帶來傳感器的零點漂移和溫度誤差，為提高測量精度，需要對傳感器的溫度誤差進行補償。

目前對傳感器的誤差軟件補償的方法很多，大體上分為兩大類：線性插值擬合和非線性插值擬合。線性插值和擬合方法簡單易操作，但實際補償精度不夠理想，本智能變送器對傳感器的誤差補償采用三次樣條曲線插值補償，實際應用表明可以很好地補償傳感器的非線性誤差及溫度誤差。

三次樣條插值補償法原理如圖6所示。以每10℃或更低為一溫度區間，依次給傳感器施加載荷，讀出變送器輸出測量值(A/D轉換值)，結合期望值(修正值)計算出各個溫度區間的三次樣條函數表達式，然后將按照三次樣條函數表達式計算得到的值作為智能變送器的數字信號實際輸出值。每個溫度區間對應一樣條曲線。溫度區間的選擇以ti為例，為

圖6中的橫坐標為傳感器的實際A/D轉換輸出值，縱坐標為經過折線計算后的補償修正值，兩者之間的函數關系通過各個溫度區間上的三次樣條曲線插值計算方法可得：

其中，fi[C(j),C(j+1)]是關于節點 C(j),C(j+1)的一階差商,hi(j)=C(j+1)-C(j)對于各個區間內的三次樣條插值函數可以通過采用追趕法對三彎矩方程組求得樣條函數的系數 Mj，然后將系數 Mj代人式(3)求得，具體介紹可參看參考文獻[1]。

式(3)中的C(i)為傳感器加載后經A/D轉換值，根據每個溫度區間內x在具體的坐標區間計算出修正值Si(x)，當使用軟件補償單元時，該修正值即為智能變送器數字信號輸出值。

2.2 RS485通信程序

通信程序采用半雙工的RS485通信模式,通信協議自定義，實現與上位機的數據交互。智能變送器可以接受上位機發出的命令實現智能變送器的系統參數修改、零點校準和滿度校準、輸出模擬信號類型、傳感器補償單元的使用與否等設置。RS485通信接口將智能變送器對傳感器的信號轉換結果上傳給上位機。

2.3 智能變送器程序流程圖

具體的智能變送器主控程序流程圖如圖7所示。

智能變送器的串口接收采用中斷接收模式，可以實時響應上位機發出的命令。

3 試驗結果分析

對智能壓力變送器實驗時選用了一款系統綜合精度為0.3/FSR、量程為100 kg的力敏傳感器，實驗標定設備系統精度為0.03%，實驗測得的數據見表1和表2。表中列出了溫度補償前后的正行程數字信號輸出數據，因模擬電流變送信號受控于數字輸出信號，表中未列出電流變送信號。

表1 補償前智能變送器輸出數據

表2 補償后智能變送器輸出數據

補償前后變送器數字輸出信號在-20℃～70℃范圍內的測試曲線如圖8和圖9所示。由圖8可知，經過溫度補償后在全測試溫度范圍內的變送器輸出幾乎與理想輸出曲線重合，而未進行溫度補償的輸出隨溫度變化變送器的輸出存在明顯的偏移，且變送器的輸出變小。

由圖9可知，經過溫度補償后的變送器輸出在全測試溫度范圍內的絕對誤差較小，非線性誤差得到較好的改善，并且由于在每個溫度區間可進行零點校準，在空載時可以得到接近0測量誤差的效果。而未經過溫度補償的變送器輸出在全測試溫度范圍內誤差呈現較大的離散性，在高低溫兩端測量誤差較大。

當對傳感器的誤差進行補償時，如采用較多的插值點及較小的溫度區間，可以獲得更好的誤差補償效果。

基于ARM7TDMI內核的ADUC7061和 AD5420的智能變送器，充分利用高精度高性價比精密模擬微控制器ADUC7061的片內模擬外設，結合高精度低成本的V/I轉換芯片AD5420及寬電壓電源調理電路，具有寬電壓電源輸入、誤差補償、軟件校準、模擬變送信號和數字信號雙重輸出、輸出數字信號及模擬變送信號可在線重新配置等功能，克服了傳統模擬變送器非智能化、應用現場不便于調節、不便于與上位機直接通信、傳統數字變送器輸出信號單一、非線性誤差無補償等缺點。本智能變送器目前已經應用于油田數據采集領域,可靠穩定，使用方便。

[1]孫志忠,袁慰平，聞震初.數值分析[M].南京：東南大學出版社，2001.

[2]田澤.嵌入式系統開發與應用[M].北京：北京航空航天大學,2005.

[3]周立功.ARM微控制器基礎與實戰[M].北京：北京航空航天大學,2003.

[4]ADUC7060/ADUC7061 Datasheet[EB/OL].http://www.analog.com,2010.

[5]AD5410/5420 Datasheet[EB/OL].http://www.analog.com，2010.

[6]曹恒,李帥，奚云輝，等.基于 MSP430的高精度智能變送器研究與設計[J].振動、測試與診斷，2006，1(26)，29-32.

[7]劉忠鵬,張海艷.智能變送器的供電和阻抗匹配探討[J].自動化儀表，2009，10(30):76-78.