基于單片機的頻率/電流變送器

王堅

（海安縣遠志軟件工作室 江蘇 海安 226600）

頻率/電流變送器（以下簡稱“變送器”）廣泛應用于工業自動化測控領域，傳統的變送器常由頻率/電壓專用模擬芯片構成，如LM331、LM2907等。對于不同的頻率量程，這類變送器需要調整電路參數，給生產和使用帶來了不便。在低頻段，為了減少紋波輸出，這類變送器需要采用時間常數較大的RC濾波電路，因而，響應速度較慢，難以保證足夠的精度。速度、線速度、流量等與頻率相關的物理量，其頻率通常處于0～20 kHz頻段，當其頻率低至20 Hz時，能否實現頻率到電流的精確轉換將成為無法回避的問題。

文中結合實際應用，從精度和響應速度入手，提出基于AT89S52單片機的變送器設計思路，即利用單片機自帶的2路定時/計數器，運用同步M/T法對信號的頻率進行精確測量，再把頻率值通過高分辨率的DAC轉換輸出。這種方法，可以保證在整個測量頻段，變送器有著一致的精度和響應速度。

1 擬定變送器的技術指標

結合實際應用，擬定變送器的技術指標為：

1）頻率范圍：0.5 Hz～10 kHz；

2）采樣周期：0.01～2 s；

3）誤差：絕對誤差小于0.01 mA，相對誤差小于0.2%。

2 系統硬件設計

2.1 同步M/T法測頻

M法測頻是測量單位時間內的脈沖數，存在±1個信號脈沖的誤差，宜測量高頻率。T法測頻是測量兩個脈沖之間的時間，存在±1個標準時間單位的誤差，宜測量低頻率。同步M/T法是多周期測頻，它的閘門開關與被測信號的邊沿同步，不存在被測信號的計數誤差，只存在標準時間的±1誤差，在整個頻率段，同步M/T法測頻精度相同。提高標準時間的頻率可提高測量精度。

同步M/T法測頻原理如圖1所示。測量時，先打開參考閘門，通過同步檢測器檢測被測信號的上升沿，在上升沿時刻打開實際閘門，兩路計數器對被測信號和標準時間計數；在參考閘門關閉時，再次通過同步檢測器檢測被測信號上升沿，在上升沿時刻關閉實際閘門，停止對被測信號和標準時間計數。同步M/T法的實際閘門時間與參考閘門時間存在差值，最大不超過一個被測信號周期[1]。

被測信號頻率fx=f0×N/n

其中：f0為標準時間頻率；N為被測信號的計數值；n為標準時間的計數值。

圖1 M/T法測頻原理Fig.1 M/T frequency measurement principle

2.2 系統硬件結構

系統結構如圖2所示。主要由AT89S52單片機、M/T測頻電路、D/A轉換器、RS232通訊接口等電路組成。單片機工作頻率為11.059 2 MHz，它與M/T測頻電路完成頻率的測量，頻率值由DAC轉換成模擬電壓，再經AD694轉換成4～20 mA標準電流信號輸出。RS232接口用于和電腦通訊，實現系統的參數設置。

2.3 M/T法測頻電路

原理圖如圖3所示。74LS74雙D觸發器構成同步檢測器，其Q端為實際閘門，單片機的P14端為參考閘門，P10端為同步檢測器的復位控制。單片機T0定時/計數器工作在模式1、計數器方式。配置GATE=1，T0是否計數取決于INT0引腳的信號，INT0由0變1時，開始計數，由1變0時，停止計數，這樣，就可以測量實際閘門打開時被測信號的脈沖數。T1定時/計數器工作在模式1、定時器方式，定時器信號頻率為振蕩器頻率的1/12，即0.921 6 MHz。配置GATE=1，T1是否計數取決于INT1引腳的信號，利用INT1引腳測量實際閘門打開時標準時間的脈沖數。

圖3 M/T法測頻電路Fig.3 M/T frequency measurement circuit

2.4 D/A轉換電路

原理圖如圖4所示。為了保證足夠的精度和分辨率，系統采用TI公司生產的12位D/A轉換器TLC5618，與單片機之間采用SPI連接方式，由OUTA輸出模擬信號。基準電壓由TL431分壓提供，其值約為2 V。D/A轉換器的分辨率決定了變送器的分辨率，該變送器的分辨率為：頻率量程/4 095。

圖4 D/A轉換電路Fig.4 D/A conversion circuit

限于篇幅，其他電路較為簡單，在此不作介紹。

3 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，流程如圖5所示。由主程序、M/T法測頻、DAC輸出、RS232接口、SPROM存儲等部分組成，軟件采用Keil uVision2軟件編寫。

DAC輸出子程序中，D/A轉換器的數字量=（實際頻率值/量程值）×4 095。由該公式可以看出，對于不同頻率的變送器，只需改變其量程值，就可實現4～20 mA電流輸出。軟件中采用浮點數進行運算，為防止送入D/A轉換器的數據溢出，導致轉換錯誤，需對轉換值進行限值，即大于4 095時，以4 095轉換輸出，用作超量程報警指示。

變送器沒有配置鍵盤輸入，因此變送器的參數設置由電腦通過RS232接口完成。上位機軟件采用Delphi5.0編寫，圖6是轉速/電流變送器軟件設置界面，完成轉速量程、轉速傳感器齒數、采樣周期等參數的設置。當轉速傳感器齒數為60時，轉速信號的頻率值與轉速值相等。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software folw diagram

圖6 轉速/電流變送器設置界面Fig.6 Interface of speed/current transmitter settigs

4 實 驗

在實驗室用頻率信號進行實驗，變送器采樣周期設為100 ms，標定頻率 0～10 kHz對應輸出電流 4～20 mA，測得 10組數據，結果如表1所示。可以看出，在0～10 kHz頻段，絕對誤差不大于0.005 mA，相對誤差小于0.1%，技術指標達到了設計要求。

表1 變送器測試數據及誤差計算Tab.1 Transmitter test data and error calculation

5 結 論

文中介紹的變送器，采用單片機系統實現了頻率到電流的轉換，整個設計達到了擬定要求。尤其在低頻段，有著很高的轉換精度，彌補了模擬型變送器的不足。該變送器通過電腦完成參數設置[8]，節省了系統的硬件資源，提高了系統的可靠性，更改頻率量程時，不需要因為量程的改變而重新校準4～20 mA輸出，具有良好的通用性。

D/A轉換器的分辨率決定了變送器的分辨率，從而決定了變送器的轉換精度。為了保證足夠的轉換精度，該變送器宜工作在0～20 kHz頻段，如需進一步拓展頻率上限，需采用更高分辨率的D/A轉換器。

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