基于低成本MCU的電流環(huán)路校準器的設計與實現(xiàn)
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這次任務的目的是降低這些設備的成本，進而降低其銷售價格。所設計設備的電流源分辨率為0.001mA。它能以階梯或斜坡函數(shù)格式自動化地或通過數(shù)字鍵盤以人工方式輸入電流值來測量并提供所需要的4~20mA范圍內(nèi)的電流。
4~20mA電流環(huán)路是在工業(yè)應用中發(fā)送傳感器信息的一種基本方法。傳感器是一種用來測量溫度、壓力、速度和流體流動等物理參數(shù)的器件。大多數(shù)過程自動化傳感器使用4~20mA的電流環(huán)路接口實現(xiàn)標準化。這種接口一般用于通過電流環(huán)路向遠端站點發(fā)送傳感器值(見圖1)。
圖1：電流環(huán)路系統(tǒng)縱覽
業(yè)界有許多系統(tǒng)遵循4~20mA電流環(huán)路標準。4~20mA電流環(huán)路校準器就是用于測試和校準這些系統(tǒng)。4~20mA電流環(huán)路是這樣設計的：當傳感器接收到最小值時，環(huán)路電流是4mA；當傳感器達到最大值時，環(huán)路電流變成20mA。因此4mA被認為是起點(0%讀數(shù))，20mA是滿刻度讀數(shù)(100%)。在這種條件下，0mA值被解釋為通信中斷。也就是說，0至4mA范圍被稱為零或偏移量，4至20mA范圍被稱為發(fā)送器的正常覆蓋范圍。
4~20mA電流環(huán)路電路由4部分組成，分別是傳感器/轉(zhuǎn)換器、發(fā)送器、接收器和電流源，見圖2。傳感器或換能器測量物理參數(shù)幅度，并轉(zhuǎn)換為電壓。發(fā)送器將來自傳感器的電壓信息轉(zhuǎn)換為4~20mA電流值。接收器在收到4~20mA電流值后將它轉(zhuǎn)換回電壓，并發(fā)送給過程控制器或指示器。電流源也提供電流環(huán)路。每個環(huán)路中至少有一個接收器，它可以是一個指示器(一臺儀表或一個數(shù)字顯示器)、一個圖表記錄器、一個RTU或PLC輸入電路、閥門致動器等。
FIGURE 2. The Fluke 707 loop calibrator sells for around $700 to $800.
在設計和測試帶傳感器的工業(yè)設備時，我們可以使用電流環(huán)路校準器并依據(jù)傳感器可能有的值來觀察系統(tǒng)行為。
校準器產(chǎn)生而且也讀取4~20mA范圍內(nèi)的電流值。對于圖2所示的系統(tǒng)，電流環(huán)路校準器可以通過取代發(fā)送器和接收器來判斷過程控制器在遠程系統(tǒng)的不同過程條件(如10%、50%和77%范圍內(nèi)的溫度值)下的行為。
在商用化市場中，存在許多類型且具有不同規(guī)格的4~20mA電流環(huán)路校準器，它們的價格高達2,000美元。本次研究的目的是要降低這些設備的成本，從而降低其銷售價格。
大多數(shù)商用化校準器都有基于模擬或階梯/斜坡函數(shù)進行調(diào)整的屬性。本次研究旨在開發(fā)出一種能夠在足夠短的時間內(nèi)通過鍵盤輸入方法調(diào)整到目標電流值的校準器。另外，所開發(fā)的設備應能夠產(chǎn)生具有足夠精度的電流值，并能根據(jù)階梯/斜坡函數(shù)進行自動或手工調(diào)整。
在科學文獻中有許多與本研究工作相關的出版物，比如具有0~20kA值的電流調(diào)整系統(tǒng)，用于大電流/電源轉(zhuǎn)換器的10mA直流電流源，通用CMOS電流源等，但沒有一個可直接用于4~20mA電路環(huán)路。本次實現(xiàn)的設備具有上述電流環(huán)路標準中規(guī)定的很高精度，還能夠完成許多功能，如發(fā)送器、接收器、電流源以及與這個標準相關的測量。另外，根據(jù)這個標準中的模擬值，我們開發(fā)了一種基于數(shù)字接口微控制器的系統(tǒng)。這樣做的主要理由是數(shù)字系統(tǒng)工作穩(wěn)定，較少受環(huán)境條件(噪聲、熱量等)的影響，并且更容易使用。
校準器的規(guī)范
首先我們來了解一下商用校準器的屬性，見圖3。
圖3：商用電流環(huán)路校準器例子
在4~20mA范圍內(nèi)的電流產(chǎn)生和讀取；
0~20V工作電壓；
電流源分辨率為0.001mA；
電流讀取精度為0.012%；
9V堿性電池；
允許使用240V交流；
在LCD指示器上以百分比(%)指示電流值(也存在使用條形圖案的產(chǎn)品)；
使用兩線發(fā)送器。
這次設計的系統(tǒng)由數(shù)字鍵盤、編碼器、微控制器、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、電流源、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和LCD指示器組成(見圖4)。我們使用PIC16F877微控制器控制系統(tǒng)。PIC16F877是一種40引腳、帶8位CMOS閃存的微控制器。選擇這種微控制器的理由是，它具有足夠多的輸入端口用于LCD、鍵盤和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，還有一個串行外設接口(SPI)、一個用于鍵盤的中斷源、一個內(nèi)部模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，最后是低成本。
圖4：系統(tǒng)框圖
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