基于單片機(jī)的頻率/電流變送器

王堅(jiān)

（海安縣遠(yuǎn)志軟件工作室 江蘇 海安 226600）

頻率/電流變送器（以下簡(jiǎn)稱“變送器”）廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化測(cè)控領(lǐng)域，傳統(tǒng)的變送器常由頻率/電壓專用模擬芯片構(gòu)成，如LM331、LM2907等。對(duì)于不同的頻率量程，這類變送器需要調(diào)整電路參數(shù)，給生產(chǎn)和使用帶來(lái)了不便。在低頻段，為了減少紋波輸出，這類變送器需要采用時(shí)間常數(shù)較大的RC濾波電路，因而，響應(yīng)速度較慢，難以保證足夠的精度。速度、線速度、流量等與頻率相關(guān)的物理量，其頻率通常處于0～20 kHz頻段，當(dāng)其頻率低至20 Hz時(shí)，能否實(shí)現(xiàn)頻率到電流的精確轉(zhuǎn)換將成為無(wú)法回避的問題。

文中結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，從精度和響應(yīng)速度入手，提出基于AT89S52單片機(jī)的變送器設(shè)計(jì)思路，即利用單片機(jī)自帶的2路定時(shí)/計(jì)數(shù)器，運(yùn)用同步M/T法對(duì)信號(hào)的頻率進(jìn)行精確測(cè)量，再把頻率值通過(guò)高分辨率的DAC轉(zhuǎn)換輸出。這種方法，可以保證在整個(gè)測(cè)量頻段，變送器有著一致的精度和響應(yīng)速度。

1 擬定變送器的技術(shù)指標(biāo)

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，擬定變送器的技術(shù)指標(biāo)為：

1）頻率范圍：0.5 Hz～10 kHz；

2）采樣周期：0.01～2 s；

3）誤差：絕對(duì)誤差小于0.01 mA，相對(duì)誤差小于0.2%。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 同步M/T法測(cè)頻

M法測(cè)頻是測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，存在±1個(gè)信號(hào)脈沖的誤差，宜測(cè)量高頻率。T法測(cè)頻是測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖之間的時(shí)間，存在±1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間單位的誤差，宜測(cè)量低頻率。同步M/T法是多周期測(cè)頻，它的閘門開關(guān)與被測(cè)信號(hào)的邊沿同步，不存在被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)誤差，只存在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的±1誤差，在整個(gè)頻率段，同步M/T法測(cè)頻精度相同。提高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的頻率可提高測(cè)量精度。

同步M/T法測(cè)頻原理如圖1所示。測(cè)量時(shí)，先打開參考閘門，通過(guò)同步檢測(cè)器檢測(cè)被測(cè)信號(hào)的上升沿，在上升沿時(shí)刻打開實(shí)際閘門，兩路計(jì)數(shù)器對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)；在參考閘門關(guān)閉時(shí)，再次通過(guò)同步檢測(cè)器檢測(cè)被測(cè)信號(hào)上升沿，在上升沿時(shí)刻關(guān)閉實(shí)際閘門，停止對(duì)被測(cè)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)。同步M/T法的實(shí)際閘門時(shí)間與參考閘門時(shí)間存在差值，最大不超過(guò)一個(gè)被測(cè)信號(hào)周期[1]。

被測(cè)信號(hào)頻率fx=f0×N/n

其中：f0為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間頻率；N為被測(cè)信號(hào)的計(jì)數(shù)值；n為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的計(jì)數(shù)值。

圖1 M/T法測(cè)頻原理Fig.1 M/T frequency measurement principle

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由AT89S52單片機(jī)、M/T測(cè)頻電路、D/A轉(zhuǎn)換器、RS232通訊接口等電路組成。單片機(jī)工作頻率為11.059 2 MHz，它與M/T測(cè)頻電路完成頻率的測(cè)量，頻率值由DAC轉(zhuǎn)換成模擬電壓，再經(jīng)AD694轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。RS232接口用于和電腦通訊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置。

2.3 M/T法測(cè)頻電路

原理圖如圖3所示。74LS74雙D觸發(fā)器構(gòu)成同步檢測(cè)器，其Q端為實(shí)際閘門，單片機(jī)的P14端為參考閘門，P10端為同步檢測(cè)器的復(fù)位控制。單片機(jī)T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作在模式1、計(jì)數(shù)器方式。配置GATE=1，T0是否計(jì)數(shù)取決于INT0引腳的信號(hào)，INT0由0變1時(shí)，開始計(jì)數(shù)，由1變0時(shí)，停止計(jì)數(shù)，這樣，就可以測(cè)量實(shí)際閘門打開時(shí)被測(cè)信號(hào)的脈沖數(shù)。T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作在模式1、定時(shí)器方式，定時(shí)器信號(hào)頻率為振蕩器頻率的1/12，即0.921 6 MHz。配置GATE=1，T1是否計(jì)數(shù)取決于INT1引腳的信號(hào)，利用INT1引腳測(cè)量實(shí)際閘門打開時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的脈沖數(shù)。

圖3 M/T法測(cè)頻電路Fig.3 M/T frequency measurement circuit

2.4 D/A轉(zhuǎn)換電路

原理圖如圖4所示。為了保證足夠的精度和分辨率，系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的12位D/A轉(zhuǎn)換器TLC5618，與單片機(jī)之間采用SPI連接方式，由OUTA輸出模擬信號(hào)?；鶞?zhǔn)電壓由TL431分壓提供，其值約為2 V。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率決定了變送器的分辨率，該變送器的分辨率為：頻率量程/4 095。

圖4 D/A轉(zhuǎn)換電路Fig.4 D/A conversion circuit

限于篇幅，其他電路較為簡(jiǎn)單，在此不作介紹。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，流程如圖5所示。由主程序、M/T法測(cè)頻、DAC輸出、RS232接口、SPROM存儲(chǔ)等部分組成，軟件采用Keil uVision2軟件編寫。

DAC輸出子程序中，D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量=（實(shí)際頻率值/量程值）×4 095。由該公式可以看出，對(duì)于不同頻率的變送器，只需改變其量程值，就可實(shí)現(xiàn)4～20 mA電流輸出。軟件中采用浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，為防止送入D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)溢出，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，需對(duì)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行限值，即大于4 095時(shí)，以4 095轉(zhuǎn)換輸出，用作超量程報(bào)警指示。

變送器沒有配置鍵盤輸入，因此變送器的參數(shù)設(shè)置由電腦通過(guò)RS232接口完成。上位機(jī)軟件采用Delphi5.0編寫，圖6是轉(zhuǎn)速/電流變送器軟件設(shè)置界面，完成轉(zhuǎn)速量程、轉(zhuǎn)速傳感器齒數(shù)、采樣周期等參數(shù)的設(shè)置。當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器齒數(shù)為60時(shí)，轉(zhuǎn)速信號(hào)的頻率值與轉(zhuǎn)速值相等。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software folw diagram

圖6 轉(zhuǎn)速/電流變送器設(shè)置界面Fig.6 Interface of speed/current transmitter settigs

4 實(shí) 驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室用頻率信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，變送器采樣周期設(shè)為100 ms，標(biāo)定頻率 0～10 kHz對(duì)應(yīng)輸出電流 4～20 mA，測(cè)得 10組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，在0～10 kHz頻段，絕對(duì)誤差不大于0.005 mA，相對(duì)誤差小于0.1%，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表1 變送器測(cè)試數(shù)據(jù)及誤差計(jì)算Tab.1 Transmitter test data and error calculation

5 結(jié) 論

文中介紹的變送器，采用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了頻率到電流的轉(zhuǎn)換，整個(gè)設(shè)計(jì)達(dá)到了擬定要求。尤其在低頻段，有著很高的轉(zhuǎn)換精度，彌補(bǔ)了模擬型變送器的不足。該變送器通過(guò)電腦完成參數(shù)設(shè)置[8]，節(jié)省了系統(tǒng)的硬件資源，提高了系統(tǒng)的可靠性，更改頻率量程時(shí)，不需要因?yàn)榱砍痰母淖兌匦滦?zhǔn)4～20 mA輸出，具有良好的通用性。

D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率決定了變送器的分辨率，從而決定了變送器的轉(zhuǎn)換精度。為了保證足夠的轉(zhuǎn)換精度，該變送器宜工作在0～20 kHz頻段，如需進(jìn)一步拓展頻率上限，需采用更高分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器。

[1]徐成，劉彥，李仁法，等.一種全同步數(shù)字頻率測(cè)量方法的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30（7）：37-39.

XU Cheng，LIU Yan，LI Ren-fa.A complete synchronization digital frequency measurement method based on[J].Application of Electronic Technique，2004，30（7）:37-39.

[2]胡軍.一種高準(zhǔn)確度數(shù)字頻率測(cè)量方法的研究[J].中國(guó)儀器儀表，2009（11）:61-63.

HU Jun.A high-accuracy digital frequency measurement method[J].Instrumentation，2009（11）:61-63.

[3]王幸之，王雷，翟成，等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[4]溫守江.可編程雙路12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5618及其C51高級(jí)語(yǔ)言編程[J].電子元器件應(yīng)用，2002（2）:19-20.

WEN Shou-jiang.Programmable dual12 digitanalog converter TLC5618 and its C51 language programming[J].Application of Electronic Components，2002（2）:19-20.

[5]董靜薇，高瑋，李欣.TLC5618在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2003（10）:15-17.

DONG Jing-wei，GAO Wei，LIXin.TLC5618usedin measurement and control system with[J].Microcomputer and Application，2003（10）:15-17.

[6]張剛，姬宣德.基于DSP控制器的M／T測(cè)速方法研究[J].甘肅科技，2008，24（7）:55-56.

ZHANG Gang，JI Xuan-de.Based on DSP controller M/T measurement method study of[J].Gansu Science，2008，24（7）:55-56.

[7]孫全玲，李瑩瑩，高翠云.基于Delphi的串口通信程序設(shè)計(jì)[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，16（6）:87-89.

SUN Quan-ling，LI Ying-ying，GAO Cui-yun.Based on the Delphi serial communication program design[J].Journal of Anhui Construction Industry Institute，2008，16（6）:87-89.

[8]李正兵，蔣興加，王小麗.高精度新型調(diào)制變送器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].火箭推進(jìn)，2011（5）：69-73.

LI Zheng-bing，JIANG Xing-jia，WANG Xiao-li.Design and application of new type high-accuracy modulation transmitter[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（5）：69-73.