多功能变送器及其校正系统的研究

　　0　引言

　　变送器是工业现场最常用的监测、计量设备之一,RS-485是最常用的智能仪表通信接口。本文利用MSP430FE427研发了一种基于RS-485总线的热电阻、热电偶、电阻、电压、电流和频率等物理量测量和变送的二次仪表,可以完成多种工厂现场信号或传感器的检测、模拟及数字远传,能够替代当前多种现场仪表[1-2]。

　　1　总体设计[3]

　　多功能变送器系统的总体结构如图1所示,主要有单片机模块(包含了多路开关、输入缓冲和可编程增益PGA及变送器软件)、隔离电源模块、热电偶、热电阻、电压、电流、电阻和频率输入模块,信号隔离、DA电流输出模块。

　　其中变送器软件采用以HART协议为基础的通信协议,完成各种参数设置、设备检测与诊断、设备的精度校正以及通过RS-485进行数据采集。

　　2　硬件设计

　　2.1　电阻/电压测量模块

　　MSP430FE427单片机内部集成三路独立的缓冲器、PGA和16位AD。输入信号经简单滤波和缓冲即可输入单片机,电路如图2所示。高精度电压源可选MAX6126等,输入采用差分方式,通过RJ1偏置可完成短路、断路等检测与报警。在测量电阻/热电阻时,脚1和脚3由导线连接电阻,脚2接补偿导线,电阻R1为高精度参考电阻;在测量电压/热电偶时,脚1和脚3短接,提供高精度参考源,脚2和脚3连接输入电压信号。

　　2.2　频率测量模块

　　采用定时器与计数器配对,用计数法或周期法测量输入脉冲的频率,输入脉冲信号经电平调整和整形电路后,输入单片机计数器,详见文献[4]。MSP430FE427的运行频率可通过寄存器调整,即可以根据不同输入信号的量程范围,选择内核时钟频率以及计数法或周期法,提高测量的精度。

　　2.3　PWM DAC模拟输出模块

　　PWM DAC的工作原理是将占空比变化的矩形波经低通滤波,输出直流信号,如式(1)所示:

　　理论上将高频分量滤除后得到稳定直流,但实际电路解决方案中,如图3所示,T12导通时仍有压差,且低通滤波器的特性存在波动和残余量等问题。解决办法是使用导通电阻极低的BS170等场效应管,同时加强低通滤波器。此外可以通过软件量程校正,获得更高的精度或线性度。

　　3　软件功能与设计

　　软件的功能包括HART协议实现与解析、参数配置模块、AD采集、线性化、RS-485或DA输出、异常处理等,主要由串口中断线程和主程序工作线程完成,定时器中断模块提供辅助信息和标志等[5-6]。

　　参数配置包括程序运行模式(模拟、数字与突发)、地址信息、当前传感器类型、AD采样增益、突发模式时间间隔、量程上限/下限、输入校正参数和输出校正参数等,保存在Flash/EE数据存储器中,通过RS-485修改这些参数;还包括不同类型传感器的线性化数据,包括实测物理量值(电压mV、电阻Ω)和映射物理量值(电压mV、电阻Ω和温度℃),存储在程序存储器中。