一種新型高精度快速直流變送器的設計

徐小方，薛林鋒，鐘沃照，孫新志

（中國電器科學研究院有限公司，廣東 廣州510860）

0 引言

變送器作為工業自動化測控領域的基礎設備，主要完成各種模擬量信號的測量及變送功能。直流變送器是一種能將被測直流信號轉換成按線性比例輸出直流電壓或直流電流信號的裝置，廣泛應用于電力、遠程監控、儀器儀表等需要隔離測控的行業。

在自動化測控領域，隨著高參數、大容量設備的增加及過程工藝的復雜化，變送器用量也越來越多，對變送器的要求也越來越高。針對傳統模擬式變送器存在精確度不夠高、響應速度慢、漂移過大、測量范圍窄、維護和維修費用大等一系列問題，本文設計了一種基于SOC和同步采樣技術的高精度直流變送器。該變送器有7個預先設定的輸入量程可供直接選擇，也可根據用戶需求重新設定量程。

本文所設計的變送器，對外部輸入模擬量信號進行調制后，通過線性光耦實現強弱電間的線性隔離，通過A/D轉換芯片對隔離后的模擬量信號進行高速數據采集，SOC通過對采集到的數據進行運算，把運算結果通過D/A轉換芯片轉換為0～5 V的電壓信號和 4～20 mA（0～20 mA）的電流信號快速輸出的同時，也可通過485通信的方式把采集到的模擬量送至上位機。把本文設計的變送器應用于試驗同步發電機組中，具有較好的變送輸出功能。

1 系統組成及主要特點

1.1 系統組成

直流變送器板系統框圖如圖1所示。

圖1 直流變送器板系統框圖

直流變送器板由隔離模塊、A/D轉換模塊、同步調制模塊、D/A轉換模塊、對外變送模塊和SOC中央處理單元等組成。通過對外部輸入模擬量的同步采樣，實現對模擬量的變送輸出功能。直流變送器通過 0～5 V 直流模擬量、4～20 mA（0～20 mA）和 485通信3種方式實現對外輸出。

1.2 主要特點

（1）響應速度快

傳統模擬式變送器的響應時間一般為300 ms左右，本文所設計的變送器，響應速度低于10 ms，便于上位機監控系統對模擬量的實時測量和監控。

（2）應用范圍廣

由于采用同步采樣技術，本文所設計的直流變送器不僅適用于傳統直流電壓信號的測量，對鋸齒波等周期性信號的測量也特別適用。

（3）測量范圍廣

本文所設計的變送器有7個量程可供選擇，分 別 為 0～75 mV、0～250 V、0～500 V、0～1000 V、-250～+250 V、-500～+500 V、-1000～+1000 V。針對不同的輸入電壓范圍，可選擇相應量程，用戶也可根據需要重新設定量程，通過重新校準即可正常使用。

（4）自動校準功能

針對電子元器件老化、零點漂移等問題，本文所設計的直流變送器具有自動校準功能。通過加入一定的模擬量輸入，實現一鍵校準，校準值寫入片內FLASH，在下次系統重新啟動時，主控芯片從片內FLASH中讀取校準值參與運算。

（5）精度高

本文所設計的直流變送器對隔離轉換后的模擬量采用16位A/D轉換芯片進行數據采集，每個采樣周期采樣512個點，從而實現高精度測量。同時，所設計的變送器精度等級可達0.2。

（6）對外通信功能

本文所設計變送器具有對外通信功能，采用485通信接口，Modbus通信協議，把所采集到的模擬量信息通過通信的方式送至上位機監控系統。

2 硬件設計

基于片上系統的直流變送器由隔離模塊、同步調制模塊、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、485通信模塊、中央處理單元模塊和電流變送模塊等組成。

2.1 隔離模塊

在工業測量和控制系統中，被監測信號容易受到強電磁干擾和尖峰電壓的影響，為了避免內部電路免受外部電路的影響，必須將測量系統和計算機系統進行電氣隔離[1]。本文設計的變送器采用HCRN201[2]高線性度光電耦合器實現模擬信號的隔離。HCRN201屬于低功耗模擬隔離芯片，隔離電壓達5000 V，同時該隔離芯片體積小，價格便宜，隔離電路簡單，可以完全消除前后級的相互干擾，具有較強的抗干擾能力。

2.2 同步調制模塊

針對外部輸入的直流信號，采用固定間隔對其進行采樣。針對外部輸入鋸齒波等周期信號，通過對周期信號的頻率測量實現對輸入信號的同步采樣。同步調制模塊的框圖如圖2所示。輸入信號一般為鋸齒波等周期信號，濾波回路由電阻和電容組成，整型電路由比較器及其相關電路組成。通過對外部輸入信號進行調制，輸出方波信號便于主控制器對同步信號進行頻率測量，進而實現對外部輸入模擬量信號的同步采樣功能。

圖2 同步測量回路

2.3 A/D轉換模塊

主控芯片通過A/D轉換模塊對隔離轉換后的模擬量進行采樣。為了使變送器能夠對外部輸入的負值信號進行采樣，本設計采用Analog Device公司的AD7606芯片進行模擬量采集，芯片與主控制器采用SPI接口，輸入電壓范圍-10～+10 V，具有采樣精度高、吞吐速率大的特點。

2.4 片上系統SOC

本文采用Microsemi公司的smartfusion2系列SOC芯片M2 S010作為主控芯片，M2 S010采用Flash技術，在單一芯片上集成了Fabric和ARM Cortex-M3硬核處理器，同時還具有先進的安全處理加速器、DSP模塊、SRAM、eNVM和業界所需的高性能通信接口，簡化了硬件電路的設計。Fabric部分主要實現變送器量程選擇、A/D轉換、同步采樣算法和D/A轉換功能。Cortex-M3硬核處理器主要實現自動校準、對外485通信等功能。

2.5 D/A轉換及電流變送模塊

在片上系統處理后的數據通過D/A轉換模塊輸出0～5 V的電壓信號。同時，經D/A轉換輸出的電壓信號還可以根據需要通過電流變送模塊轉換為4～20 mA（0～20 mA）的標準信號輸出。

2.6 通信模塊

本文所設計的直流變送器可對外支持RS485接口規范，采用Modbus通信規約，支持RTU通信模式，8位數據位，波特率可達57600 bit/s，停止位和校驗位可根據需要進行更改。

直流變送器板的命令格式如表1所示（以下數字均為16進制）：

表1 命令格式

響應格式如表2所示（以下數字均為16進制）：

表2 響應格式

3 軟件設計

3.1 SOC軟件設計

SOC芯片M2 S010在單一芯片上集成了Fabric和ARM Cortex-M3硬核處理器，框圖如圖3所示。

圖3 SOC結構框圖

從圖中可以看出，Fabric部分主要完成A/D、D/A邏輯控制部分軟件的實現，Fabric部分和Cortex-M3之間通過片內APB3總路線進行數據交互，Cortex-M3完成片內FLASH的讀寫和對外485通信的軟件功能實現。當系統處于校準模式時，Cortex-M3根據A/D采樣數據進行自動校準，并把校準參數寫入片內FLASH，當系統重新啟動時，從片內FLASH讀取校準值參與運算功能。

3.2 系統軟件設計

本文所設計的直流變送器系統軟件結構圖如圖4所示。

圖4 系統軟件結構圖

如圖4所示，系統初始化之后首先從片內FLASH讀取校準值，然后與當前模擬量采樣值進行運算處理。運算后的數值通過通信和模擬量兩種方式對外輸出。

4 功能測試

4.1 小輸入信號下變送器功能測試

針對小輸入電壓信號，本文所設計的變送器首先對其進行運算放大，之后再進行隔離輸出。片上系統通過對隔離后的信號進行數據采集及運算，把運算結果以模擬量和通信的方式輸出。本文所設計的變送器可對外部0～75 mV的弱電信號進行變送輸出。為了便于測量，在變送器輸出端（4～20 mA）并入阻值為249.017 Ω的電阻，測得數據如表3所示。

表3 小信號下的數據測量

從表3中可以看出，當輸入信號為0～75 mV的弱電信號時輸出對應4～20 mA，輸出精度達0.2%。

當輸入信號為0～75 mV時，0～5 V輸出端與輸入的對應關系如圖5所示。輸入與輸出間具有很好的線性度。

圖5 輸入輸出線性關系圖

4.2 具有負量程輸入信號功能測試

針對電壓信號，常規變送器測量的最小值一般為0 V。針對特殊行業，例如電站勵磁系統的勵磁電壓信號量，由于勵磁系統在逆變過程中勵磁電壓為負值，常規電壓變送器不能對負電壓信號進行正確測量，本文所設計的變送器就能很好的解決負電壓測量的問題。當設定外部模擬量輸入量程為-250～+250 V時，用繼電保護測試儀加入-250～+250 V的直流電壓信號時測得輸入電壓與輸出電流的對應關系如表4所示（理論要求當電壓輸入為-250 V時，電流輸出4 mA，當電壓輸入為0 V時，電流輸出12 mA當電壓輸入為250 V時，電流輸出20 mA）。

表4 輸入電壓與輸出電流的關系

從表4中可以看出，當變送器量程選擇為-250～+250 V時，變送器的輸出精度達到0.2%。

圖6為變送器輸入與輸出間的線性關系圖。當變送器輸入-250～+250 V時，變送器輸出0～5 V，從圖6中可以看出，當輸入電壓為0 V時，變送器輸出為2.5 V，輸入與輸出具有很好的線性度。

圖6 變送器輸入輸出線性關系圖

4.3 實際應用

水（火）電站同步發電機勵磁系統功率單元一般采用三相橋式全控整流電路[3]，由于同步發電機轉子的電感特性，勵磁系統整流橋輸出可能會出現負電壓，采用常規電壓變送器不能準確測量整流橋輸出電壓的真實值。對于試驗用同步發電機組，當機組處于空載狀態時采用本文所設計的-250～+250 V量程的變送器對整流橋輸出電壓進行測量，測得電壓波形和直流變送器的輸出波形如圖7所示。其中整流橋陽極電壓為85 V，直流輸出電壓39.36 V，可控硅觸發角68.16°。為了便于測量，在電壓變送器的輸出端并聯249.017 Ω的電阻，電阻上的直流電壓為3.299 V，對應于13.248 mA，和理論計算相符。

圖7 發電機組空載時勵磁電壓及變送器輸出波形

5 結語

針對傳統模擬式直流變送器量程固定、響應速度慢等現象，本文基于片上系統和同步采樣技術設計了一種新型高精度快速直流變送器。對變送器的原理、特點及軟硬件實現方法進行了介紹。該變送器不僅具有自動校準功能，還具有量程選擇、對外485通迅等功能。把本文設計的直流變送器應用于試驗同步發電機組中，取得較好的變送輸出功能。結果表明，本文所設計的變送器精度高，測量范圍廣、響應速度快，工作穩定可靠，比普通變送器具有更廣闊的應用領域。