一种新型高精度快速直流变送器的设计

徐小方，薛林锋，钟沃照，孙新志

（中国电器科学研究院有限公司，广东 广州510860）

0 引言

变送器作为工业自动化测控领域的基础设备，主要完成各种模拟量信号的测量及变送功能。直流变送器是一种能将被测直流信号转换成按线性比例输出直流电压或直流电流信号的装置，广泛应用于电力、远程监控、仪器仪表等需要隔离测控的行业。

在自动化测控领域，随着高参数、大容量设备的增加及过程工艺的复杂化，变送器用量也越来越多，对变送器的要求也越来越高。针对传统模拟式变送器存在精确度不够高、响应速度慢、漂移过大、测量范围窄、维护和维修费用大等一系列问题，本文设计了一种基于SOC和同步采样技术的高精度直流变送器。该变送器有7个预先设定的输入量程可供直接选择，也可根据用户需求重新设定量程。

本文所设计的变送器，对外部输入模拟量信号进行调制后，通过线性光耦实现强弱电间的线性隔离，通过A/D转换芯片对隔离后的模拟量信号进行高速数据采集，SOC通过对采集到的数据进行运算，把运算结果通过D/A转换芯片转换为0～5 V的电压信号和 4～20 mA（0～20 mA）的电流信号快速输出的同时，也可通过485通信的方式把采集到的模拟量送至上位机。把本文设计的变送器应用于试验同步发电机组中，具有较好的变送输出功能。

1 系统组成及主要特点

1.1 系统组成

直流变送器板系统框图如图1所示。

图1 直流变送器板系统框图

直流变送器板由隔离模块、A/D转换模块、同步调制模块、D/A转换模块、对外变送模块和SOC中央处理单元等组成。通过对外部输入模拟量的同步采样，实现对模拟量的变送输出功能。直流变送器通过 0～5 V 直流模拟量、4～20 mA（0～20 mA）和 485通信3种方式实现对外输出。

1.2 主要特点

（1）响应速度快

传统模拟式变送器的响应时间一般为300 ms左右，本文所设计的变送器，响应速度低于10 ms，便于上位机监控系统对模拟量的实时测量和监控。

（2）应用范围广

由于采用同步采样技术，本文所设计的直流变送器不仅适用于传统直流电压信号的测量，对锯齿波等周期性信号的测量也特别适用。

（3）测量范围广

本文所设计的变送器有7个量程可供选择，分 别 为 0～75 mV、0～250 V、0～500 V、0～1000 V、-250～+250 V、-500～+500 V、-1000～+1000 V。针对不同的输入电压范围，可选择相应量程，用户也可根据需要重新设定量程，通过重新校准即可正常使用。

（4）自动校准功能

针对电子元器件老化、零点漂移等问题，本文所设计的直流变送器具有自动校准功能。通过加入一定的模拟量输入，实现一键校准，校准值写入片内FLASH，在下次系统重新启动时，主控芯片从片内FLASH中读取校准值参与运算。

（5）精度高

本文所设计的直流变送器对隔离转换后的模拟量采用16位A/D转换芯片进行数据采集，每个采样周期采样512个点，从而实现高精度测量。同时，所设计的变送器精度等级可达0.2。

（6）对外通信功能

本文所设计变送器具有对外通信功能，采用485通信接口，Modbus通信协议，把所采集到的模拟量信息通过通信的方式送至上位机监控系统。

2 硬件设计

基于片上系统的直流变送器由隔离模块、同步调制模块、A/D转换模块、D/A转换模块、485通信模块、中央处理单元模块和电流变送模块等组成。

2.1 隔离模块

在工业测量和控制系统中，被监测信号容易受到强电磁干扰和尖峰电压的影响，为了避免内部电路免受外部电路的影响，必须将测量系统和计算机系统进行电气隔离[1]。本文设计的变送器采用HCRN201[2]高线性度光电耦合器实现模拟信号的隔离。HCRN201属于低功耗模拟隔离芯片，隔离电压达5000 V，同时该隔离芯片体积小，价格便宜，隔离电路简单，可以完全消除前后级的相互干扰，具有较强的抗干扰能力。

2.2 同步调制模块

针对外部输入的直流信号，采用固定间隔对其进行采样。针对外部输入锯齿波等周期信号，通过对周期信号的频率测量实现对输入信号的同步采样。同步调制模块的框图如图2所示。输入信号一般为锯齿波等周期信号，滤波回路由电阻和电容组成，整型电路由比较器及其相关电路组成。通过对外部输入信号进行调制，输出方波信号便于主控制器对同步信号进行频率测量，进而实现对外部输入模拟量信号的同步采样功能。

图2 同步测量回路

2.3 A/D转换模块

主控芯片通过A/D转换模块对隔离转换后的模拟量进行采样。为了使变送器能够对外部输入的负值信号进行采样，本设计采用Analog Device公司的AD7606芯片进行模拟量采集，芯片与主控制器采用SPI接口，输入电压范围-10～+10 V，具有采样精度高、吞吐速率大的特点。

2.4 片上系统SOC

本文采用Microsemi公司的smartfusion2系列SOC芯片M2 S010作为主控芯片，M2 S010采用Flash技术，在单一芯片上集成了Fabric和ARM Cortex-M3硬核处理器，同时还具有先进的安全处理加速器、DSP模块、SRAM、eNVM和业界所需的高性能通信接口，简化了硬件电路的设计。Fabric部分主要实现变送器量程选择、A/D转换、同步采样算法和D/A转换功能。Cortex-M3硬核处理器主要实现自动校准、对外485通信等功能。

2.5 D/A转换及电流变送模块

在片上系统处理后的数据通过D/A转换模块输出0～5 V的电压信号。同时，经D/A转换输出的电压信号还可以根据需要通过电流变送模块转换为4～20 mA（0～20 mA）的标准信号输出。

2.6 通信模块

本文所设计的直流变送器可对外支持RS485接口规范，采用Modbus通信规约，支持RTU通信模式，8位数据位，波特率可达57600 bit/s，停止位和校验位可根据需要进行更改。

直流变送器板的命令格式如表1所示（以下数字均为16进制）：

表1 命令格式

响应格式如表2所示（以下数字均为16进制）：

表2 响应格式

3 软件设计

3.1 SOC软件设计

SOC芯片M2 S010在单一芯片上集成了Fabric和ARM Cortex-M3硬核处理器，框图如图3所示。

图3 SOC结构框图

从图中可以看出，Fabric部分主要完成A/D、D/A逻辑控制部分软件的实现，Fabric部分和Cortex-M3之间通过片内APB3总路线进行数据交互，Cortex-M3完成片内FLASH的读写和对外485通信的软件功能实现。当系统处于校准模式时，Cortex-M3根据A/D采样数据进行自动校准，并把校准参数写入片内FLASH，当系统重新启动时，从片内FLASH读取校准值参与运算功能。

3.2 系统软件设计

本文所设计的直流变送器系统软件结构图如图4所示。

图4 系统软件结构图

如图4所示，系统初始化之后首先从片内FLASH读取校准值，然后与当前模拟量采样值进行运算处理。运算后的数值通过通信和模拟量两种方式对外输出。

4 功能测试

4.1 小输入信号下变送器功能测试

针对小输入电压信号，本文所设计的变送器首先对其进行运算放大，之后再进行隔离输出。片上系统通过对隔离后的信号进行数据采集及运算，把运算结果以模拟量和通信的方式输出。本文所设计的变送器可对外部0～75 mV的弱电信号进行变送输出。为了便于测量，在变送器输出端（4～20 mA）并入阻值为249.017 Ω的电阻，测得数据如表3所示。

表3 小信号下的数据测量

从表3中可以看出，当输入信号为0～75 mV的弱电信号时输出对应4～20 mA，输出精度达0.2%。

当输入信号为0～75 mV时，0～5 V输出端与输入的对应关系如图5所示。输入与输出间具有很好的线性度。

图5 输入输出线性关系图

4.2 具有负量程输入信号功能测试

针对电压信号，常规变送器测量的最小值一般为0 V。针对特殊行业，例如电站励磁系统的励磁电压信号量，由于励磁系统在逆变过程中励磁电压为负值，常规电压变送器不能对负电压信号进行正确测量，本文所设计的变送器就能很好的解决负电压测量的问题。当设定外部模拟量输入量程为-250～+250 V时，用继电保护测试仪加入-250～+250 V的直流电压信号时测得输入电压与输出电流的对应关系如表4所示（理论要求当电压输入为-250 V时，电流输出4 mA，当电压输入为0 V时，电流输出12 mA当电压输入为250 V时，电流输出20 mA）。

表4 输入电压与输出电流的关系

从表4中可以看出，当变送器量程选择为-250～+250 V时，变送器的输出精度达到0.2%。

图6为变送器输入与输出间的线性关系图。当变送器输入-250～+250 V时，变送器输出0～5 V，从图6中可以看出，当输入电压为0 V时，变送器输出为2.5 V，输入与输出具有很好的线性度。

图6 变送器输入输出线性关系图

4.3 实际应用

水（火）电站同步发电机励磁系统功率单元一般采用三相桥式全控整流电路[3]，由于同步发电机转子的电感特性，励磁系统整流桥输出可能会出现负电压，采用常规电压变送器不能准确测量整流桥输出电压的真实值。对于试验用同步发电机组，当机组处于空载状态时采用本文所设计的-250～+250 V量程的变送器对整流桥输出电压进行测量，测得电压波形和直流变送器的输出波形如图7所示。其中整流桥阳极电压为85 V，直流输出电压39.36 V，可控硅触发角68.16°。为了便于测量，在电压变送器的输出端并联249.017 Ω的电阻，电阻上的直流电压为3.299 V，对应于13.248 mA，和理论计算相符。

图7 发电机组空载时励磁电压及变送器输出波形

5 结语

针对传统模拟式直流变送器量程固定、响应速度慢等现象，本文基于片上系统和同步采样技术设计了一种新型高精度快速直流变送器。对变送器的原理、特点及软硬件实现方法进行了介绍。该变送器不仅具有自动校准功能，还具有量程选择、对外485通迅等功能。把本文设计的直流变送器应用于试验同步发电机组中，取得较好的变送输出功能。结果表明，本文所设计的变送器精度高，测量范围广、响应速度快，工作稳定可靠，比普通变送器具有更广阔的应用领域。