基于微控制器的隔离变送器的设计

2010-09-26张波丁金华孙秋花李明颖张磊

大连工业大学学报 2010年3期

张波，丁金华，孙秋花，李明颖，张磊

（大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁大连 116034）

0 引言

变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一，主要完成物理信号的测量和变换处理。随着多参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂，对自动化的依赖性越来越大，变送器用量不断增多，要求不断提高。采用隔离变送器，可接收来自现场的标准或非标准模拟信号输入，以标准信号形式输出到控制室或DCS、PLC，实现电源、输入和输出相互隔离。应用于对现场仪表的各种信号进行调理，通过隔离，并转换成工业计算机、DCS、PLC等能接收的标准信号或用户指定的特殊信号，在工业测量系统、医疗电子设备、电力设备等方面被广泛应用［1］。

1 硬件电路设计

以嵌入式混合信号微处理器C8051F350为核心，由外部电源提供稳定的直流24V电压，通过34063集成电路为CPU提供稳定的3.3V工作电压。输出采用隔离电源模块，为MORNSUN公司生产的定压隔离稳压单输出1W隔离电源IB2424LD。采用单路输入，单路输出。为了方便记录和调试系统输出的线性4～20mA电流信号，还设计了4位按键电路，功能分别为显示状态STATE键，调节大小SHIFT键，存储数据STORE键。为了节约成本，本系统用4位数码管显示，显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管来显示输出，采用单片机动态扫描显示［2］。其整体电路框图如图1示。

图1 整体硬件框图Fig.1 The overall hardware block diagram

1.1 光电隔离及V／I变换电路

采用高精度24位A／D对输入DC 4～20mA进行信号采样，将被测信号送往微处理控制器进行运算，由单片机根据外部传感器探头给出的电流信号进行处理，发出连续高频脉冲［4］。如图2所示，P1.0口输出PWMC经高速光耦合器6N137进行隔离，这样可以提高抗干扰能力。6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有1个850nm波长AlGaAs LED和1个集成检测器组成，其检测器由1个光敏二极管、高增益线性运放及1个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成，具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL／TTL兼容，5mA的极小输入电流。脉冲信号经过光电隔离后，多通道模拟开关CD4011进行传送并整形。CD4011由电平转换电路、译码电路和开关电路三部分组成，其供电电压为5V，通过TL431为其供电。TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源，它的输出电压可以设置2.5～36V的任何值。进入由LM258连接成的射随电路，这种放大器的放大倍数接近于1，也就是说该放大器的输出跟输入信号相同，即输出信号随输入信号的变化发生相同的变化，可以保证输出端的电压和输入端相同，也可以更好地带动后面电路的负载运行。经V／I转换电路（运放B和PQ1，PQ2）变换为4～20mA电流信号输出。通过实际的运算与调试，确定了电路中各个元器件的参数。

1.2 控制器供电单元

如图3所示为CPU供电电路原理图，端子JA的1、2口为4～20mA输出端；3、4口为外接电源接入端。电源接反是设备安装接线时最容易发生的错误，输入口串1只二极管即可防止接反电源时损坏电路，如图3所示D1。集成电路34063为CPU提供稳定的3.3V工作电压，它是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。参考电压源是温度补偿的带隙基准源，振荡器的振荡频率由三脚的外接定时电容C3决定。

1.3 显示按键单元

按键电路如图4所示，采用全数度化校准，通过STATE状态、SHIFT▲+、SHIFT▼-、STORE存储4个按键进行相应的参数设置和校准数据。在给CPU加电之前，同时按下SHIFT▲+、SHIFT▼-可以给复位端（RESET）1个复位脉冲，使CPU内部程序处于初始状态，并对CPU内部的寄存器清零。按键比电位器更准确、快捷。

图2 光电隔离及V／I变换电路Fig.2 Optical isolation and V／I conversion circuit

图3 CPU供电电路Fig.3 CPU power supply circuit

1.4 LED显示电路

采用四位共阳极LED数码管显示，既节约了成本，也简化了电路。采用74HC595D驱动，与CPU接口简单，采用串行方式，显示系统输出的4～20mA。

2 软件编程

本系统软件部分采用C语言编程，模块化程序设计方法，主要有数据采集处理模块、信号输出模块、键盘扫描模块、采样定时模块、数据显示模块等。

2.1 监控程序模块

程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序，是单片机系统程序的框架，其主要任务完成系统自检、初始化、处理键盘命令、处理接口命令、处理条件触发并完成显示功能。在设计监控程序时，在定时采集数据、键盘扫描、数据显示等功能中，定时采集数据优先级别应最高，优先级别最低为数据显示，各作业之间具有明显优先级的差别，所以监控程序采用作业优先调度型，优先级高者先运行。