EMD-4～20mA传感器数据处理新途径

勰∞蚴德感器数据绁理薪逢径 NewV＼，ayOfDataPrOcessingBasedOn4，、—20mASensOr ■北京长空机械有限责任公司秦严定迟文焕 种利用软件实现4—20mA传感器数据转换的方法，消除了硬件电路中电压放 残留电压，保证了数据转换精度。 关键词：压力传感器；模拟信号，数字信号；单片机控制 引言 在单片机控制的许多应用场合，都要使用传感器来将单片机 不能直接测量的信号转换成单片机可以处理的电模拟信号，如压 力传感器、温度传感器、流量传感器等。早期的传感器大多为电压 输出型，即将测量信号转换为0-5V电压输出，通过模拟数字转换 电路转换为数字信号供单片机读取、控制。但在信号需要远距离 传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使 用受到了限制，暴露了抗干扰能力较差等缺点，而电流输出型传 感器以其具有较高的抗干扰能力得到了广泛应用。 电压输出型压力传感器抗干扰能力差，有时输出的直流电 压上还叠加有交流成分，使单片机产生误判断，控制出现错误， 严重时还会损坏设备。 电流输出型传感器的输出范围常用的有0～20mA及4～ 20mA两种，传感器输出最小电流及最大电流时，分别代表传感 器所标定的最小及最大额定输出值。 如测压范围为以0～35Mpa的输出压力传感器为例进行叙 述。对于输出0～20mA的传感器0mA电流对应0MPa压力值，输 出4～20mA的传感器4mA电流对应0MPG压力值，两类传感器的 20mA电流都对应35MPa压力值。 对于输出0～20mA的传感器，在电路设计上我们只需选择 合适的降压电阻，通过A／D转换器直接将电阻上的电压转换为数 字信号即可，电路调试及数据处理都比较简单。 对于输出4～20mA的传感器，电路调试及数据处理上都比 较烦琐。但这种传感器能够在传感器线路不通时，通过是否能检 测到正常范围内的电流，判断电路是否出现故障，因此使用更为 普遍。 ■卯 蚕 蚕 co。∞口c∞e_∞c，∞e℃b。∞∞口∞事 4～20mA传感器的一般处理方法 由于4～20mA传感器输出4mA时，在取样电阻上的电压不 等于0，直接经模拟数字转换电路转换后的数字量也不为O，单片 机无法直接利用，通过公式计算过于复杂。因此一般的处理方法 是通过硬件电路将4mA在取样电阻上产生的电压降消除，再进 行A／D转换，工作原理如图1。 图1 在图1中，由压力传感器产生的4～20mA电流与13VG形成电 流回路，从而在取样电阻上产生一定压降，并将此电压值输入到 放大器LM358的3脚。图1中方框内的电阻分压电路用来在集成 电路LM358的2脚产生一个固定的电压值，用于抵消在取样电阻 上4mA电流产生的压降。所以当压力传感器为最小值4mA时， LM358的3脚与2脚电压差基本为0V。图1中LM358与其相连接的 电阻构成可调整电压放大电路，将压力传感器电流在取样电阻 上的电压值进行放大并通过LM358的1脚输出至模拟数字转换电 路，供单片机CPU读入，通过查表法或其它的数据处理方法将压 力传感器的4—20mA电流在屏幕上以压力值的形式显示出来。 世界电子元器件2004．5 万方数据 但是这个电路存在以下问题： 1、4mA不能完全消除，电压放大器输出端总会有残留电压 存在； 2、LM358放大器随着放大倍数增加，线性也越发不好； 3、为了尽量减小放大器放大倍数非线性所带来的误差，不 得不通过电阻、稳压管等器件降低模拟数字转换电路原有的基 准电压，使得基准电压变得不稳定，电路也复杂化了。 4～20mA传感器数据处理新途径 通过上述分析我们了解到，图1中的电路由于电压放大器的 非线性及基准电压的改动，使读入的数据变得稳定性较差，同时 电路比较复杂，调整起来比较麻烦。由于读入信号的不稳定，数 据存在一定的误差，因此，本文采用了一种全新的方法进行数据 处理一利用软件的方法实现数据转换。 抛OmA电流 取样电阻 图2 为了提高模-数转换的精确度，在硬件电路设计上，必须 保持原有模拟数字转换电路的基准电压不变，并将放大电 路取消，将压力传感器电流在取样电阻上的压降直接加到 模拟数字转换电路的输入端，见图2。单片机读入数据后采 用软件对其进行处理。计算转换后，将0-35Mpa的压力值在 屏幕上显示出来。 图3中画有两条线段AB和CD，线段AB任一点在横坐标上的 值为从取样电阻上的读入电压值，简称为读入值；线段CD任一 点在横坐标上的值为转换后的电压值，简称为转换值；现在的关 键问题是如何找出转换值与读入值之间存在的关系。 为了在最大电流值20mA处得到最大的电压值虼一，需要选 择合适的降压电阻R： R=撼 20mA时所使用的压力传感器的压力为35Mpa，可以取最大 的电压值为3．5V，经计算电阻为175Q。输入电流为4mA时对应的 输出电压‰=R×0．004A=0．7V。即当电流值为4～20mA时，从 取样电阻上读出电压为0．7v-3．5V。 ． 20—4 矗 留么l2瓦而3读灭酉刁= 蚴=哿=赢 下面以图3为例说明这个关系的推导过程。 世界电子元器件20¨．5 图3 将矿o=0．2够。带入式中，再经变换，可以得到的新的等式： 转换值=丝塑甓等兰蠡掣=瓦=‰读入值～甏：糍 为了证明匕述关系的正确性，可举例进行证明。设定‰。=3．5v， 则所选电阻为175Q，V。=0．7V。当电流为中间值12mA时，对应的 读出值是12mA×175Q=2．1V。根据上述公式可以得到转换值 为： 转换值1}×纠一黜=1．75 根据3．5V(20mA时压降)表示35Mpa的线性关系，2．1V (12mA时压降)表示17．7Mpa，与计算出的真实压力值相符。同样 根据4mA产生的O．7V压降计算出的真实压力值为OMpa。 根据我们具体选定的35Mpa压力传感器及取样电阻， 仍洲=3．5V，经进一步简化该公式，可以得出： 转换值=1÷读入值一o．875 如果选取不同的取样电阻，该公式中的常数O．875会不同， 但读入值前的系数保持不变。 在程序中，将读入值通过将数据右移2次的方式进行运算，再 进行1次加法和1次减法就可以将转换值计算出来，再通过与实际 压力值线性关系的处理转换，将O-35Mpa的压力值在屏幕上显示 出来。由此可见，通过软件程序进行计算也是比较简单的。 实用程序 MDRDAl-A3CH；运算结果区(8字节) MD2DAl_A44H：运算区2(5字节) MDlDNrA49H；运算区1(5字节) ； ：转换数据子程序 ；调用前清运算区，从模数转换器读回的16进制数送MD2、MD2+1 ；16进制数转换为BCD码运算结果存于MDR+1～MDR，供显示使用。 HSJ： MOVMDl+1．MD2+1 MOVMDl．MD2 CLRC ：将原数据右移一位，除2 下转77页H◆ 万，■ 万方数据 比率很低，甚至低于音频范围。 LTC6902可直接驱动许多开关调节器，它使用SSFM技术改 善了EMC性能。如果开关调节器的带宽足够，这在大多数情况都 不难满足，当产生尖峰电磁感应辐射时必须维持调节器的调整、 功效及负载响应。输出的纹波可能有一些增加，但是它对系统影 响危害不大。 选择L亿6902时钟可控制多相开关电源，表5显示了LTC6902 与稳压器多相结合的应用，使用LTC6902使开关稳压器引起的峰 值EMJ降低了10倍。低EMJ、四步四相电源应用电路如图5所示， LTC6902四相输出同步驱动四个5V／2A降压转换器，设计简单， 应用灵活。 表5： LTC6902时钟控制多相开关电源的应用 器件型号 稳压器数量 VIN(v) vouT(V)功率(w) U『c3440 4 27至42 3．3 8 U℃3402 】8至30 3 3 】3 U’1310 5 12 19 ITC3412 27至55 25 2S m430 4 55至60 5 40 U℃3728 s2至28 33和5 80 L1℃3832 d 3．3 2 5 140 U『c373l 2 45至36 l5 150 U℃187l 2 18至27 28 400 图5四步四相电源应用电路 5V 8V 结束语 应用LTC6902的扩频振荡器降低了开关电源的EMI，采用两 个电阻器即可设置多相振荡器的输出频率及频率扩展，在开关 电源参考时钟，便携式的和电池供电设备，蜂窝电话及时钟开关 电容滤波器中得到广泛应用。衄 ●-．一匕接61页 MOVA．MDl+1 RRCA MOVMDl+1．A MOVA．MDl RRCA MOVMDl．ACLRC MOVA．MDl+1 RRCA MOVMDl+1．A MOVA．MDl RRCA MOVMDl．A MOVA．MD2 ADD MOV MOV ADDC MOV MOV A．MDl MD2．A A．MD2+1 A．MDl+1 MD2+1．A A．MD2 再将数据右移一位，除2 原数据加四分之一原数据 和存MD2、MD2+1 减875(036BH)．差存MD2、 MD2+1 CLRC SUBBA．斧6BH MOVMD2．A MOVA．MD2+1 SUBBA．孝03 MOVMD2+1．A LcALLHTBCD：转换为BCD码 RET 四字节16进制数转换为五字节整数BCD码 世界电子元器件2004．5 程序中使用寄存器R0，R1，R5．R6，R7 调用前清运算区，16进制数据传送至MD2+3～MD2 运算结果存于MDR+4～MDR HTBCD：MOV HTBCDl：MOV MOv CLR HTBCD2：MOV RLC MOV INC DJNZ MOV MOV HTBCD3：MOV ADDC DA MOV JNC DJNZ DJNZ RET END R7．幂20H R6．聋04H RO．拳MD2 C A，@RO A @R0．A R0 四字节二进制数共32位 二进制数字节数 二进制数末址 R6．HTBCD2 R5，蒂05H ：BCD码字节数 R1，斧MDR ：BCD码末址 A，@R1 A。@R1 A @R1．A R1 只5．H’rBCD3 R7．HTBCDl 结论 本文对4～20mA电流传感器的数据处理方法提出了新的思 路，大量实验已经证明这种方法在实际应用中是正确的。与以前 检测电压的电路及软件程序相比，它具有设计简单，电路稳定、 抗干扰能力强，数据准确可靠等优点。皿 77— 万方数据 4～20mA传感器数据处理新途径 作者： 秦严定， 迟文焕 作者单位： 北京长空机械有限责任公司 刊名： 世界电子元器件 英文刊名： GLOBAL ELECTRONICS CHINA 年，卷(期)： 2004，(5) 被引用次数： 5次 引证文献(5条) 1.吴波.乔兵 人工气候室监控系统的环境控制器研究[期刊论文]-计算机测量与控制 2009(3) 2.孙代平.唐祯安.魏广芬.刘一玮 一种液化石油气罐箱/槽罐车的实时探测器[期刊论文]-测控技术 2007(6) 3.胡洁微.任国臣.陈晓英 单晶炉温度控制系统中提高温度测量精度方法[期刊论文]-国外电子测量技术 2006(10) 4.孙代平 一种危险化学品罐箱/槽车的实时监测系统[学位论文]硕士 2006 5.李勇 注橡机微机控制系统研究[学位论文]硕士 2005 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_sjdzyqj200405017.aspx 授权使用：北京工商大学(btbu)，授权号：f969afb0-7b4e-4d7c-a5a4-9ed100db6f93 下载时间：2011年4月26日