傳感器是組建自動(dòng)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。隨著自動(dòng)檢測(cè)與控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)傳感器的測(cè)量精度、傳感器信號(hào)傳輸距離、傳感器輸出信號(hào)的多元化等提出了更高的要求。針對(duì)傳統(tǒng)的模擬變送器的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于精密模擬微控制器ADUC7061及具有溫度補(bǔ)償?shù)?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/智能變送器" title="智能變送器" target="_blank">智能變送器。該智能變送器具有溫度補(bǔ)償、軟件校準(zhǔn)、模擬變送信號(hào)和數(shù)字信號(hào)雙重輸出、數(shù)字信號(hào)及模擬變送信號(hào)可在線重新配置等功能。該變送器具有智能化、結(jié)構(gòu)緊湊、適用范圍廣、工作可靠、數(shù)字信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、精度高、較寬電壓電源輸入范圍等優(yōu)點(diǎn)。
1 智能變送器的硬件設(shè)計(jì)
　智能變送器由傳感器信號(hào)調(diào)理、電源電壓輸入調(diào)節(jié)電路、主控制電路、電流變送信號(hào)電路、RS485通信電路等模塊組成。其中的信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)傳感器的毫伏級(jí)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波；主控制電路采用精密微控制器ADUC7061對(duì)濾波后的傳感器信號(hào)直接進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理并對(duì)外圍器件進(jìn)行控制；電源電壓輸入調(diào)節(jié)電路對(duì)12~36 V輸入的直流電源進(jìn)行調(diào)節(jié)；電流變送信號(hào)電路受控于主控制電路，通過(guò)在線配置可產(chǎn)生4~20 mA、0~20 mA、0~24 mA等變送信號(hào)；RS485通信電路用于數(shù)字信號(hào)的傳輸和實(shí)現(xiàn)智能變送器與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互。智能變送器的硬件電路框圖如圖1所示。

1.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
     傳感器輸出信號(hào)一般為毫伏級(jí)，傳統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路一般要用精密線性放大器對(duì)之進(jìn)行放大后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于精密微控制器ADUC7061內(nèi)部集成了精密的1~512倍程控增益放大器(PGA)和可編程的數(shù)字濾波器，所以該信號(hào)調(diào)理電路只需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的低通濾波和EMI抑制，大大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。電路圖如圖2所示。傳感器信號(hào)一般為差分毫伏級(jí)信號(hào),圖中的Bead1、Bead2為貼片磁珠，可作為簡(jiǎn)單有效的EMI濾波器，R1、R5、C2、C3、C4構(gòu)成簡(jiǎn)單的低通濾波,傳感器信號(hào)SIG+和SIG-經(jīng)濾波后輸入ADUC7061的差分模擬信號(hào)輸入通道。

1.2 電源調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)
　傳統(tǒng)的變送器輸入電源調(diào)節(jié)采用三端穩(wěn)壓器件，如78系列，效率低，三端穩(wěn)壓器件的輸入輸出電壓差不能太大。該智能變送器可以接受12~36 V直流電源電壓輸入，電源調(diào)節(jié)電路如圖3所示。電源主調(diào)節(jié)芯片采用德州儀器公司的TPS5430。TPS5430是一款低靜態(tài)電流、高效率、高峰值輸出電流（3 A）的集成開(kāi)關(guān)型降壓穩(wěn)壓器，使用時(shí)無(wú)需增加額外的散熱裝置。12~36 V的直流電源電壓輸入首先經(jīng)TPS5430獲得3.3 V的電源供給智能變送器中要求3.3 V供電的芯片，3.3 V的電壓通過(guò)R15和R17匹配獲得，然后再通過(guò)LDO芯片HT7325獲得2.5 V的電源供ADUC7061和傳感器(在實(shí)際調(diào)試時(shí)，采用3.3 V給傳感器供電同樣可以得到較好的效果)。如果供電電源電壓更寬，則可以采用TPS54160來(lái)代替TPS5430。

1.3 主控制電路設(shè)計(jì)
     智能變送器主控制器采用16/32位微控制器ADUC7061，ADUC7061是美國(guó)ADI公司推出的基于ARM7TDMI內(nèi)核的低成本、精密模擬微控制器，片內(nèi)資源十分豐富，具有很高的性價(jià)比。片內(nèi)集成了雙Σ-Δ型24位ADC、單端和差分模擬信號(hào)輸入通道、1~512倍的內(nèi)部高精度可編程增益放大器(PGA)、片內(nèi)精準(zhǔn)時(shí)鐘、精密1.2 V電壓參考源、16位/32位RISC架構(gòu)ARM7TDMI內(nèi)核、SPI、UART、32 KB可在線編程Flash存儲(chǔ)器、4 KB的SRAM等片內(nèi)外設(shè)，使之成為理想的單芯片高精度數(shù)據(jù)采集方案。所有的數(shù)字I/O口都兼容3.3 V電平，采用32腳的LFCSP封裝，體積小，代碼下載和調(diào)試可通過(guò)JTAG 端口實(shí)現(xiàn)。智能變送器的主控制電路如圖4所示。圖中的ADUC7061的數(shù)字電源和模擬電源用0 Ω電阻隔離，電壓均為2.5 V。實(shí)際使用時(shí)采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)和內(nèi)部精準(zhǔn)時(shí)鐘,利用內(nèi)部可在線編程的Flash空余扇區(qū)保存系統(tǒng)參數(shù)，JTAG接口采用自定義的6芯接口實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和程序下載。DS18B20為數(shù)字溫度傳感器，用于測(cè)量傳感器的環(huán)境溫度，為傳感器的溫度補(bǔ)償提供環(huán)境溫度參數(shù)。

1.4 智能變送器信號(hào)輸出電路
    智能變送器能輸出兩種信號(hào)：模擬電流變送信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)采用內(nèi)置16位 DAC的V/I轉(zhuǎn)換芯片AD5420產(chǎn)生。數(shù)字信號(hào)通過(guò)RS485實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳，RS485通信芯片采用半雙工的MAX3485。智能變送器信號(hào)輸出電路如圖5所示。

    AD5420是ADI公司推出的采用SPI接口輸入、內(nèi)置16位DAC的高精度低成本4~20 mA輸出的V/I轉(zhuǎn)換芯片，電流輸出可配置為0~20 mA、4~20 mA、0~24 mA中的一種，總體誤差為0.01/FSR，具有能調(diào)節(jié)40 V輸入電壓的功能。圖中的R18為電流設(shè)置電阻，采用低溫漂金屬膜電阻。R13為限流電阻，防止外接負(fù)載很小時(shí)對(duì)AD5420的損害。
2 智能變送器的軟件設(shè)計(jì)
    智能變送器的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括ADUC7061的啟動(dòng)代碼和初始化、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的相關(guān)濾波、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理、零點(diǎn)校準(zhǔn)和滿度校準(zhǔn)、模擬電流變送信號(hào)輸出控制程序、溫度補(bǔ)償單元和串行RS485通信程序等。由于基于ARM7TDMI內(nèi)核的AUDU7060內(nèi)部集成了高精度的24 bit Σ-Δ型ADC和其他的模擬外設(shè)，同時(shí)支持零點(diǎn)校準(zhǔn)、滿度校準(zhǔn)等系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，所以A/D校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換值的獲取可以很方便實(shí)現(xiàn);模擬電流變送信號(hào)輸出由ADUC7061控制AD5420產(chǎn)生，線性受控于輸出的數(shù)字信號(hào)。
 2.1 溫度補(bǔ)償單元
     傳感器的輸入輸出關(guān)系隨著環(huán)境溫度的變化而變化。設(shè)傳感器的被測(cè)量為x，輸出量為y，t為環(huán)境溫度?？紤]環(huán)境溫度因素，傳感器靜態(tài)特性為：y=f(x,t),常表現(xiàn)為隨溫度變化的非線性特性，這與傳感器的理想輸入輸出關(guān)系y=kx相比，存在著線性誤差和溫度誤差。將y=f(x,t)按級(jí)數(shù)展開(kāi)得：

    由此可見(jiàn)，溫度變化必然帶來(lái)傳感器的零點(diǎn)漂移和溫度誤差，為提高測(cè)量精度，需要對(duì)傳感器的溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
    目前對(duì)傳感器的誤差軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏啵篌w上分為兩大類：線性插值擬合和非線性插值擬合。線性插值和擬合方法簡(jiǎn)單易操作，但實(shí)際補(bǔ)償精度不夠理想，本智能變送器對(duì)傳感器的誤差補(bǔ)償采用三次樣條曲線插值補(bǔ)償，實(shí)際應(yīng)用表明可以很好地補(bǔ)償傳感器的非線性誤差及溫度誤差。

    圖6中的橫坐標(biāo)為傳感器的實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換輸出值，縱坐標(biāo)為經(jīng)過(guò)折線計(jì)算后的補(bǔ)償修正值，兩者之間的函數(shù)關(guān)系通過(guò)各個(gè)溫度區(qū)間上的三次樣條曲線插值計(jì)算方法可得：

    式(3)中的C(i)為傳感器加載后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換值，根據(jù)每個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)x在具體的坐標(biāo)區(qū)間計(jì)算出修正值Si(x)，當(dāng)使用軟件補(bǔ)償單元時(shí)，該修正值即為智能變送器數(shù)字信號(hào)輸出值。
2.2 RS485通信程序
       通信程序采用半雙工的RS485通信模式,通信協(xié)議自定義，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。智能變送器可以接受上位機(jī)發(fā)出的命令實(shí)現(xiàn)智能變送器的系統(tǒng)參數(shù)修改、零點(diǎn)校準(zhǔn)和滿度校準(zhǔn)、輸出模擬信號(hào)類型、傳感器補(bǔ)償單元的使用與否等設(shè)置。RS485通信接口將智能變送器對(duì)傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)果上傳給上位機(jī)。
2.3 智能變送器程序流程圖
　具體的智能變送器主控程序流程圖如圖7所示。

    智能變送器的串口接收采用中斷接收模式，可以實(shí)時(shí)響應(yīng)上位機(jī)發(fā)出的命令。
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
　對(duì)智能壓力變送器實(shí)驗(yàn)時(shí)選用了一款系統(tǒng)綜合精度為0.3/FSR、量程為100 kg的力敏傳感器，實(shí)驗(yàn)標(biāo)定設(shè)備系統(tǒng)精度為0.03%，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。表中列出了溫度補(bǔ)償前后的正行程數(shù)字信號(hào)輸出數(shù)據(jù)，因模擬電流變送信號(hào)受控于數(shù)字輸出信號(hào)，表中未列出電流變送信號(hào)。

    補(bǔ)償前后變送器數(shù)字輸出信號(hào)在-20℃~70℃范圍內(nèi)的測(cè)試曲線如圖8和圖9所示。

    由圖8可知，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后在全測(cè)試溫度范圍內(nèi)的變送器輸出幾乎與理想輸出曲線重合，而未進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)妮敵鲭S溫度變化變送器的輸出存在明顯的偏移，且變送器的輸出變小。
　由圖9可知，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的變送器輸出在全測(cè)試溫度范圍內(nèi)的絕對(duì)誤差較小，非線性誤差得到較好的改善，并且由于在每個(gè)溫度區(qū)間可進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，在空載時(shí)可以得到接近0測(cè)量誤差的效果。而未經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)淖兯推鬏敵鲈谌珳y(cè)試溫度范圍內(nèi)誤差呈現(xiàn)較大的離散性，在高低溫兩端測(cè)量誤差較大。
　當(dāng)對(duì)傳感器的誤差進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，如采用較多的插值點(diǎn)及較小的溫度區(qū)間，可以獲得更好的誤差補(bǔ)償效果。
    基于ARM7TDMI內(nèi)核的ADUC7061和AD5420的智能變送器，充分利用高精度高性價(jià)比精密模擬微控制器ADUC7061的片內(nèi)模擬外設(shè)，結(jié)合高精度低成本的V/I轉(zhuǎn)換芯片AD5420及寬電壓電源調(diào)理電路，具有寬電壓電源輸入、誤差補(bǔ)償、軟件校準(zhǔn)、模擬變送信號(hào)和數(shù)字信號(hào)雙重輸出、輸出數(shù)字信號(hào)及模擬變送信號(hào)可在線重新配置等功能，克服了傳統(tǒng)模擬變送器非智能化、應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)不便于調(diào)節(jié)、不便于與上位機(jī)直接通信、傳統(tǒng)數(shù)字變送器輸出信號(hào)單一、非線性誤差無(wú)補(bǔ)償?shù)热秉c(diǎn)。本智能變送器目前已經(jīng)應(yīng)用于油田數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域,可靠穩(wěn)定，使用方便。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫志忠,袁慰平，聞?wù)鸪? 數(shù)值分析[M].南京：東南大學(xué)出版社，2001.
[2] 田澤. 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué),2005.
[3] 周立功. ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué),2003.
[4] ADUC7060/ADUC7061 Datasheet[EB/OL]. http://www.analog.com, 2010.
[5] AD5410/5420 Datasheet[EB/OL]. http://www.analog.com，2010.
[6] 曹恒,李帥，奚云輝，等. 基于MSP430的高精度智能變送器研究與設(shè)計(jì)[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2006，1(26)，29-32.
[7] 劉忠鵬,張海艷. 智能變送器的供電和阻抗匹配探討[J].自動(dòng)化儀表，2009，10(30):76-78.