总线变送器

智能式变送器是由传感器和微处理器如何选用变速器(微机)相结构而成的。它充分利用了微处理器的运算和存储能力,可对传感器的数据进行处理,包括对测量信号的调理(如滤波、放大、A/D转换等)、数据显示、自动校正和自动补偿等。　　微处理器是智能式变送器的核心。它不但可以对测量数据进行计算、存储和数据处理,还可以通过反馈回路对传感器进行调节,以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件和硬件功能,因而它可以完成传统变送器难以完成的任务。所以智能式变送器降低了传感器的制造难度,并在很大程主上提高了传感器的性能。另外,智能式变送器还具有以下特点：　　n 具有自动补偿能力,可通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进行自动补偿。　　n 可自诊断,通电后可对传感器进行自检,以检查传感器各部分是否正常,并作出判断。　　n 数据处理方便准确,可根据内部程序自动处理数据,如进行统计处理、去除异常数值等。　　n 具有双向通信功能。微处理器不但可以接收和处理传感器数据,还可将信息反馈至传感器,从而对测量过程进行调节和控制。　　n 可进行信息存储和记忆,能存储传感器的特征数据、组态信息和补偿特性等。　　n 具有数字量接口输出功能,可将输出的数字信号方便地和计算机或现场总线等连接。

DPharp EJA差压变送器（Differential Pressure/Pressure high accuracy resomamt sensor pressure transmitter）是由日本横河电机株式会社于94年最新开发的高性能智能式差压、压力变送器，采用了世界上最先进的单晶硅谐振式传感器技术，自投放市场以来，以其优良的性能受到客户好评。EJA在DPharp EJa变送器基础上实现了以下设计目标：1、除保证高精度外，还实现了静压、温度等环境影响极小的高性能。2、可长期连续使用的高可靠性。3、小型、轻量，使其有受安装场所的限制，可自由安装。4、采用了微型计算机技术，具有完整的自诊断功能和通讯功能。5、开发时重视零点的稳定性，提高了维护效率。DPharp EJA变送器的开发获得了日本产业社会最高奖—大河内纪念奖和由桥本龙太郎颁发的优质产品奖，并通过美国、英国、法国、德国、俄罗斯、中国等先进国家的多种安全认证。EJA智能变送器采用日本横河电机开发的单晶硅谐振式传感器技术，是目前世界上最先进的变送器，自进入中国市场，深受广大用户的青睐，是变送器领域最具活力的名牌产品。也深得中国客户的好评，并于97年5月获取中国电力部进入200MW、300MW、600MW机组的认证书和中国化工部及石油部门的认证书。EJA特点●世界首创—单晶硅谐振传感器●采用微电子机械加工高新技术（MEMS）●传感器直接输出频率信号，简化与数字系统的接口●高精度，一般为±0.075%●高稳定性和可靠性●连续十万次过压试验后影响量≤0.03%/16MPa●连续工作五年不需要调校零点●BRAIN/HART/FF现场总线三种通讯协义供选择●完善的自诊断及远程设定通讯功能●可无需三阀组而直接安装使用●基本品的接液膜片材质为：哈氏合金C-276（小型标准为3.9kg）●外部零点/量程调校原理：由单晶硅谐振式传感器上的两上H形的振动梁分别将差压、压力信号转换成频率信号，送到脉冲计数器，再将两频率之差直接传递到CPU进行数据处理，经D/A转换器转换为与输入信号相对应的4~20mADC的输出信号，并在模拟信号上叠加一个BRAIN/HART数字信号进行通信。膜盒组件中内置的特性修正存贮器存贮传感器的环境温度、静压及输入/输出特性修正数据，经CPU运算，可使变送器获得优良的温度特性和静压特性及输入/输出特性。通过I/O口与外部设备（如手持智能终端BT2 00或275以及DCS中的带通信功能的I/O卡）以数字通信方式传递据，即高频2.4kHz(BRAIN协议)或1.2kHz(HART协议)数字信号叠加在4~20mA信号线上，在进行通讯时，频率信号对4~20mA信号不产生任何的影响。1、结构原理单晶硅谐振传感器的核心部分，即在一单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术（MEMS），分别在其表面的中心和边缘作成两个形状、大小完全一致的H形状的谐振梁（H型状谐振器有两个振梁），且处于微型真空腔中，使其即不与充灌液接触，又确保振动时不受空气阻尼的影响。2、谐振梁振动原理硅谐振梁处于由永久磁铁提供的磁场中，与变压器、放大器等组成一正反馈回路，让谐振梁在回路中产生振荡。3、受力情况当单晶硅片的上下表面受到压力并形成压力差时将产生形变，中心处受至压缩力，边缘处受到张力，因而两个形状振梁分别感受不同应变作用，其结果是中心谐振梁受压缩力而频减少，边侧谐振梁因受张力而频率之差对应不同的压力信号。EJA 优良性能1、优良的温度影响特性2、优良的静压影响特性3、优良的单向过压特性EJX系列产品：是采用单晶硅传感器的高品质的电子差压变送器，适用于液体、气体或蒸汽的流量以及液位、密度和压力测量。可以通过内藏显示表或BRAIN协议或HART通讯协议显示其静压。还具有快速响应、通讯协议远程设定、自诊断功能以及任选高/低压力报警状态输出功能等特征。可提供FF现场总线型。EJX系列标准配置具有TUV认证。除FF现场总线型外都适用于SIL2场合。

随着工业自动化控制技术的发展，自控水平越来越高，对过程参数控制精度要求越来越严，要求变送器表不仅精度高，而且要功能多、稳定可靠、能准确传送过程参数(压力、差压、绝压、流量)、抗干扰能力强、使用维护简单，并能与控制器、执行器等设备组成功能强大的控制系统，实现通讯和过程的自动控制。所以，过去的变送器由于受测量原理和通讯所限，很难实现这种高精度控制要求，因此，自然而然地产生了原理先进具有通讯功能的智能变送器。这类先进的智能变送器集现代科技与一身，是微电子技术、精密机械加工技术、计算机技术和现代通讯技术完美结合的产物，能实现过程控制的多种要求，推动了整个自控技术的向前发展。先进的智能变送器是工业过程控制技术发展的需要，也是工艺过程实现高精度控制的必须，具有很好的市场前景。　　　　本文根据工业应用的实际需要以及网络通信发展的功能要求，提出了基于FPGA智能变送器控制系统的总体方案，硬件系统设计、软件设计。该设计实现了系统MCU主控模块、数据采集模块、电源控制模块、数据处理模块、数据通信模块等硬件电路，并给出了系统软件流程图，重点论述了数据采集和数据模拟输出控制电路的FPGA实现，详细阐述了系统各模块电路的组成原理和实现方法，给出了整个电路系统的原理图，并制作了印刷电路板。结合XILINX公司的ISE10．1设计软件给出了模／数转换、数／模转换的仿真结果，验证了系统功能。　　　　1、智能变送器的总体设计　　　　本智能变送器由前端信号调理电路、高速A／D采样电路、数字信号处理电路、模拟输出电路和数字输出电路组成。如图1所示。　　　　分析不同类型的传感器，其输出信号可分为电流信号、电压信号和电荷信号3大类，相应地设计了3种信号调理电路。以大型设备振动监测项目为例，县体的传感器有加速度、速度和位移传感器。选择不同的前端信号调理电路，变成统一规格的电压信号供后面的A／D采样。　　　　A／D采样部分对前端电路的输出电压信号进行采样。A／D采样芯片采用ADI公司的AD7264，AD7264是双通道同步采样、14-bit、高速、低功耗、逐次逼近型模数转换器，采用5V单电源供电，采样速率高达1MSPS。A／D采样电路与前端信号调理电路用同一隔离电源供电，与后级数字信号处理电路隔离。AD7264的数据接口为串行接口，便于隔离处理。　　　　数字信号处理电路选择带有CPU软核的FPGA。FPGA是智能式变送器的核心，它不但能对采样数据进行计算、存储和数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。在整个系统中，FPGA主要实现对系统的控制和数据的预处理。　　　　智能式变送器有两种输出方式：模拟输出和数字输出。数字输出将处理后的信号直接输出，通过CAN接口、TCP／IP接口传给上位机。模拟输出通过DAC芯片将信号转换成标准电压电流信号输出。　　　　2、系统硬件设计与实现　　　　智能变送器具有采集、处理、指示、通讯等功能，其硬件设计围绕功能进行。整个智能变送器单元根据所完成的功能分为以下几个主要功能模块：信号采集模块(传感器放大电路)、信号转换模块(模／数转换和数／模转换电路)、FPGA控制模块、通信模块(以太网和CAN总线通信)以及为整个系统提供电源的电路部分等。其中FPGA系统为整个控制器单元的核心，是变送器实现数字智能化的标志。　　　　智能变送器的硬件总体结构框图如图2所示。变送器工作时，由传感器把被测量转变为电信号，然后将信号作A／D转换，把模拟信号变换成数字信号，送入到FPGA(XC3S4005PQ205)控制模块，FIGA通过FIR滤波器核对信号进行滤波，并通过查表法对信号进行自动补偿，然后根据实际需要。经数／模转换后将数据传给下级电路，同时也可能通过以太网或CAN总线传给局域网，实现智能变送功能。系统PCB板实物图如图3所示。　　　　3、系统软件设计与仿真　　　　该系统以XILINX公司的XC3S4005PQ208C作为中央处理器，整个系统主要包括初始状态(Initialization)、数据采集状态(Data_Sample)、数据处理状态(Data_Processing)、以太网传输状态(Enet_Transfers)、CAN总线传输状态(CAN_Transfers)、和模拟输出状态(Analog_Transfers)等6种状态，因此，可以利用有限状态机的设计方案来实现。其状态转换图如图4所示，通过开发工具ISE10．1对各个模块的VHDL源程序及顶层电路进行编译、逻辑综合，电路的纠错、验证、自动布局布线及仿真等各种测试，最终将设计编译的数据下载到芯片中即可。　　　　初始状态：实现系统初始化；数据采集状态：完成数据采集过程；数据处理状态：对采集的信号进行一系列的滤波处理，非线性校正等；以太网传输状态，CAN总线传输状态：根据实际需要将信号数字输出；模拟输出状态：进行数模转换，输出标准的电压电流信号。　　　　3．1数据采集的FPGA设计　　　　数据采集是工业测量和控制系统中的重要部分，它是测控现场的模拟信号源与上位机之间的接口，其任务是采集现场连续变化的被测信号。对数字系统来说，数据采集主要由传感器放大电路和A／D转换电路构成，由硬件电路可见，系统通过AD7264模／数转换器来实现模／数转换。AD7264内含6个寄存器，分别是A／D转换器的结果寄存器、控制寄存器、A／D转换器A和B的内部失调寄存器、A／D转换器A和B通道的外部增益寄存器。由于XC3S4005PQ208C和AD7264都兼容SPI接口，两者的编程只需按照时序图进行即可。AD7264与FPGA的接口主要包括PD0数据输入选择端：DoutA(DoutB)两路数据输出端；OUTa(OUTb)两路数据输入端；CoutA(CoutB、CoutC、CoutD)比较器输出；G3(G2、G1、G0)四路增益控制输入信号。增益由控制寄存器的低四位控制；ADSCLK时钟信号；ADCS片选信号，低电平有效。AD7264工作频率为20MHz，在CS下降沿，跟踪保持器处于保持模式。此时，采样、转换同时被初始化模拟输入。这需要至少19个SCLK周期。第19个SCLK的下降沿到来时。AD7262恢复至跟踪模式，并设置DOUTA、DOUTB为使能。数据流由14位组成，MSB在前。图5为AD7264读寄存器时序仿真图。　　　　3．2数据输出的FPGA实现　　　　智能化信号调理器的输出分为数字输出和模拟输出，数字输出通过CAN接口和TCP／IP输出到上位机，或者通过总线方式输出；模拟输出通过DA转换成标准的电压电流信号输出。系统选用ADI公司AD5422数／模转换器来实现数／模转换。AD5422通过数据移位寄存器输入数据，数据在串行时钟输入SCLK的控制下首先作为24位字载入器件MSB中。数据在SCLK的上升沿逐个输入。该24位字在LATCH引脚的上升沿无条件锁存，然后数据继续逐个输入，此时与LATCH的状态无关。图6为AD5422写操作时序仿真图。　　　　4、结束语　　　　采用XILINX公司的ISE10．1设计软件及MODELSIM软件对系统进行反复调试仿真，给出了试验结果，验证了系统功能。并运用美国PCB公司的608A11作为加速度传感器。对设备的振动进行监测，其模拟输出的测试结果如表1所示。　　　　最终的调试结果表明，本文所设计的智能变送器器能够稳定的实现温度、压力等变量的变送，并且频率、幅值的调节精度等技术指标均达到了预期的设计要求。