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溫顯示儀表軟硬件設(shè)計(jì)技巧

更新日期:2012-07-20  |  點(diǎn)擊率:3178

溫顯示儀表軟硬件設(shè)計(jì)技巧
 l、溫顯示儀的硬件設(shè)計(jì)
  
  本儀表的硬件電路部分主要是有溫、通道獨(dú)立電源電路,溫、采樣電路,信號(hào)調(diào)節(jié)電路,模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,光電隔離電路,處理器采用AT89S52單片機(jī),同時(shí)還有LED顯示電路,通訊電路,鍵盤電路等構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。以下將對(duì)各部分的電路做相應(yīng)的介紹。

  
  1.1溫度變送器
  
  非電量的溫度信號(hào)通過變送器形成4~20mA電量信號(hào)。本方案中采用了奧地利E+E公司的EE10-FT6的高性能溫綜合變送器。
  
  EE10一FT6產(chǎn)品特點(diǎn):
  
 ?。?)24VDC供電;
  
 ?。?)溫度量程:O~50℃;量程:0~100%;
  
 ?。?)溫度精度:±0.1℃;精度:1.0%;
  
 ?。?)輸入阻抗:≤500Ω;
  
 ?。?)接線方式:三線(電源正端、溫度輸出線、輸出線)。
  
  1.2隔離測量技術(shù)
  
  常規(guī)溫度測量,往往將溫度、信號(hào)共地,利用一套測量電路即可。在本方案中,變送器的輸出要先行接入溫顯示儀(前端),再串接于DDC(直接數(shù)字控制器)后端構(gòu)成變送器回路,變送器電源由DDC來提供,因此由變送器輸出的兩路共地信號(hào)在前端需要進(jìn)行隔離測量,以消除對(duì)后端測量的影響。即兩端串聯(lián)并同時(shí)測量一對(duì)共地信號(hào)。對(duì)于模擬量隔離測量,筆者曾經(jīng)考慮3套方案:
  
  方案一"虛"隔離,即采用差分測量技術(shù),將差分一端經(jīng)過一適當(dāng)電阻接地,這種方案成本zui低,但是對(duì)于運(yùn)放的要求十分苛刻,而且穩(wěn)定性不高。
  
  方案二采用線性光耦隔離,但線性光耦難以調(diào)試,離散性大,需要周邊元器件多(運(yùn)算放大器),而且光耦前端仍需隔離電源,后端仍需模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
  
  方案三采用兩組獨(dú)立測量電路,然后通過普通光耦與處理器接口,需要兩套隔離電源,兩組測量部分,成本稍高,但此種方案zui可靠,調(diào)試方便,因而zui終被采用,如圖2所示。

  
  l.34~20mA電流測量
  
  采樣電阻采用125Ω/0.1%精密電阻,這樣,只需測量O.5~2.5V電壓信號(hào)即可。
  
  1.4放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用
  
  本溫顯示儀模擬信號(hào)變換采用TI公司的軌對(duì)軌運(yùn)放TLC2252,該放大器zui大的特點(diǎn)一是輸出可達(dá)電源滿幅,二是失調(diào)電壓較小,0.5mV,價(jià)格較低,適合本儀表應(yīng)用。

  
  模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采用TI公司的ADS1286U,此芯片主要性能有:
  
 ?。?)分辨率:12位;
  
  (2)zui高采樣頻率:20kHz;
  
 ?。?)INL:±2LSB/max;
  
 ?。?)DNL:±1LSB/max;
  
  (5)接口方式:兩線制
  
 ?。?)參考電壓:外接。
  
  1.5分辨率及精度
  
  本儀表需要滿足的要求:分辨率方面,溫度顯示到O.01℃,顯示到0.1%;精度方面,要達(dá)到與自控系統(tǒng)的DDC測量值之間的誤差不得大于±0.03℃。這樣的苛刻要求使得本儀表在軟硬件方面都必須做的非常到位。
  
  1.6數(shù)字濾波技術(shù)
  
  為滿足以上分辨率及精度的要求,除了在硬件上選擇性價(jià)比高的元器件以及較高的PCB板技術(shù)外,在軟件上做了較多的工作。因?yàn)闇囟任锢砹渴菓T性環(huán)節(jié),時(shí)間常數(shù)較大,量值不會(huì)產(chǎn)生突變,故濾波時(shí)間可以很長。本儀表中采用多次測量排序取中值然后再進(jìn)行一階慣性濾波的方法,數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

  
  其中Xn-1為上次實(shí)際溫值;Xn-2本次經(jīng)過排序取來的中值;Xn為當(dāng)前的溫值;A為濾波時(shí)間常數(shù),作為系數(shù)。
  
  這樣做的目的是防止某些測量突變,以及滿足慣性物理量的測量,使得測量值不會(huì)頻繁跳躍,可以滿足需求。
  
  1.7網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)
  
  本儀表采用RS485通信,通信規(guī)約為MODBUS-RTU,然后通過MODBUS-PROFIBUS網(wǎng)關(guān)與西門子DDC通信,波特率為38.4kb/s??偩€采用輪詢方式,后臺(tái)機(jī)對(duì)各個(gè)房間溫進(jìn)行采集,作為房間溫度集中監(jiān)控的依據(jù)。
  
  1.8精度校準(zhǔn)及參數(shù)
  
  本儀表出廠前均已校準(zhǔn),但考慮到長期運(yùn)行后,元器件老化及環(huán)境溫度的變化,可能會(huì)造成儀表出現(xiàn)精度偏差,故儀表上設(shè)有精度校準(zhǔn)功能。校準(zhǔn)時(shí),需要一只標(biāo)準(zhǔn)4~20mA信號(hào)表,按照顯示提示,分別將信號(hào)源調(diào)至各檔位,然后由儀表自動(dòng)校準(zhǔn),校準(zhǔn)系數(shù)值存入非易失性存儲(chǔ)器中。
  
  本儀表具有現(xiàn)場手動(dòng)調(diào)校功能,調(diào)節(jié)電位器旋鈕可使得溫度在某個(gè)短量程范圍內(nèi)更加。
  
  所有的參數(shù)設(shè)定都可通過網(wǎng)絡(luò)或儀表按鍵進(jìn)行操作,掉電不丟失。
  
  2、溫顯示儀的軟件設(shè)計(jì)
  
  主要程序包括:溫度測量子程序、測量子程序、鍵盤掃描及實(shí)現(xiàn)子程序、校準(zhǔn)子程序,其中測量子程序內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、形成顯示數(shù)據(jù)等;鍵盤掃描及實(shí)現(xiàn)子程序內(nèi)嵌顯示頁面切換、參數(shù)設(shè)定、校準(zhǔn)確認(rèn)等;校準(zhǔn)子程序內(nèi)嵌雙通道切換校準(zhǔn)及校準(zhǔn)數(shù)值存儲(chǔ)等。中斷服務(wù)程序包括:定時(shí)器中斷(用于顯示)子程序、通信中斷子程序。主程序?yàn)橐来窝h(huán)執(zhí)行,綜合外部操作(鍵盤),實(shí)現(xiàn)儀表多重功能;中斷服務(wù)程序可以隨時(shí)中斷主程序的執(zhí)行,兩者互不影響。
  
  本儀表中模數(shù)轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵,除了在硬件上保證信號(hào)的較好處理外,軟件上的處理就顯得很重要了,下面給出模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1286的訪問程序,此芯片的DATASHEET上時(shí)序邏輯只是一個(gè)基本的過程,具體要得出可靠的數(shù)值,需要在調(diào)試中摸索,這個(gè)程序是筆者調(diào)試好的,效果不錯(cuò)。

  
  說明:本子程序轉(zhuǎn)換后的12位AD值存放于02H/03H中。

  
  說明:本中斷服務(wù)程序?yàn)镸ODBUS從站響應(yīng)程序,本儀表只用到MODBUS功能碼中的03號(hào)及06號(hào),即模擬量遙測及參數(shù)設(shè)定。
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