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基于SPI总线的智能压力变送器信号采集系统

来源:江苏创辉自动化仪表有限公司 时间:2018-09-05
在工业称量仪中,传感器常用拉(压)力传感器,目前对于传感器信号的采集常见的处理方法中,信号传输均采用模拟信号,抗干扰性能较差,当有多个传感器时,电路连线很复杂。随着微电子技术的发展,数字信号传输应用愈来愈广泛,它具备抗干扰性能强、线路连接方便等优点,本文将介绍一种自行研制的基于SPI总线的智能压力变送器
1、常用传感器信号采集方法
常用拉(压)力传感器为桥式如图1所示,其原理是:力作用在弹性元件上使其形变,安装在弹性元件上的电阻应变敏感元件将弹性元件的变形转换为电阻的变化,外加电源传感器可将拉(压)力转换为输出电压的变化。
图1中,Vp=Vp1-Vp2为输入电压,Vo=Vs1-Vs2为输出信号,目前高精度传感器灵敏度在满量程时一般为:Vo/Vp=1~2mV/V,非线性误差为0.01%~0.03%左右。VP加3V左右电压,传感器在满量程时输出信号在5mV左右,属mV级信号。对于信号的采集常见的处理方法是
1)传感器安装在生产现场,用带屏蔽的电缆线将传感器信号送往几十米远的称量仪表中。这种方法最原始、简单,但直接传送mV信号,抗干扰性能差。
2)在传感器附近安装信号调理电路将传感器一次信号变为0~10V,或4~20mA标准信号送到称量仪表中。
3)将信号调理电路与传感器一体化,将拉(压)力信号变为标准信号送至工业称量仪在这几种处理方法中,信号传输均采用模拟信号,抗干扰能力差;当有多个传感器时,电路很复杂。
下面将介绍一种基于SPI总线的压力数字变送器,来实现数字信号的传输。
2、变送器的结构及功能
变送器对外接口包括智能化仪表的接口信号线以及与传感器接口线,如图2所示。
 
在图2中,与智能化仪表连线为:V+为变送器的工作电源,输入范围为8~15VDC,RDI、RDO、RSCK及RCS是SPI接口总线。与传感器的连线为:P、VP为压力传感器的电源线,Vs、Vs2为传感器输出的微弱信号。
变送器安装在生产现场压力传感器附近,它接收传感器的输出信号,并进行转换,通过SPI接口,与智能化仪表进行双向通讯。为实现上述功能,变送器应由如下部分组成:直流电源部分、AD转换部分、数字接口部分。图3为系统的组成示意图。
2.1变送番直流电源部分
输入直流电压为8~15V,直接接7805,可得到主电源5V,利用AD589可形成1.235V的基准电压,3V的传感器供电直流电压由REF193产生,REF193输出电压3V,输出电流可达30mA(一般的压力传感器输入电阻为6500,利用该电流可驱动4个以上的桥传感器),该电压稳定温度漂移为25ppm/℃。
2.2AD转换部分
2.2.1信号调理及A/D转换器AD7705
对于被测弱电信号的放大及处理就是我们常说的信号调理电路,随着微电子技术和系统集成技术的发展,把信号调理电路与A/D转换器集成为单芯片大规模集成电路已经问世,美国AD公司推出的带信号调理电路的16位A/D转换器AD7705,它是应用于低频测量的2通道的模拟前端,该器件可以接受直接来自传感器的低电压输入信号,利用∑△转换技术实现16位无丢失代码并产生串行的数字输出。
2.2.2AD7705有以下几个特点
1)两个全差分输入通道ADC,具有16位无丢失代码和0003%非线性误差。
2)与MCU的接口为串行的三线接口模式。
3)可编程增益1~128,信号极性以及更新速率配置有工作寄存器,通过对寄存器的操作可以选择等
4)器件还包括自标定和系统校准功能,以消除器件本身或系统的增益和编程误差。
5)内带数字信号处理电路,具有低通滤波(LPF)和陷波功能(BEF),通过片内控制寄存器可调节滤波器的截止频率和输出更新率,从而选择***个陷波频率点
2.2.3AD7705的数据接口
AD7705的数据接口采用了SPI接口标准。利用4根线可完成主从之间的数据通讯。这4根线为:时钟线(SCK),数据输人线(SDI),数据输出线(SDO),片选线(CS)。当AD7705作为维一的SPI总线系统从机时,CS可以接地。芯片的主电源为5V其信号线为TTL电平0~5V,在远距离传输时,将TTL电平转换为RS232电平(±12电平)可以增加信号口传输距离和抗干扰性能。电平的转换由MAX202来完成。
2.3数字接口部分
数字接口即电平转换接口3采用了MAX202,它只用单5V电源,内带电源提升泵。ZUI高传输速率为230kbps。利用该芯片可实现TTL电平与RS232电平之间的转换由图3中可知:变送器输入信号有RCS、RDN、RSCLK,RCS通过一个三极管电路进行电平转换,RDN、 RSCLK作为RS232电平信号输人至MAX202的输入端R1I、R2I,转换为TTL电平后接AD7705的DN和SCLK。AD7705的Dour作为TTL电平接MAX202的T1I,从T10输出的信号RDUr为RS232电平。
3、变送器在信号采集系统中的连接
3.1变送器与传惑器的接口
变送器既可以与单个传感器接口,也可以与多个传感器接口。当与多个传感器接口时(如斗式称,般用3个拉力传感器),传感器并联使用
3.2变送器与微控制器(MCU的接口
在一个系统里,如果MCU只与一个变送器接口,那么变送器的RCS可以常有效。变送器中S3与S1接,此时图3电路中三极管基极接高电平,置AD7705常有效,当MCU与多个变送器连接时,这种接口方式中,除RCS单独以外,其余线均为共用总线。在这种接法中,每个变送器的 RoUT口输出的接口二极管将起“线或”作用,至MCU一侧(该线需要接一个10K的电阻至负电源,该负电源由MAX202产生)经MAX202反相后,起到了“线与”作用。当MCU与多个变送器连接时,可以同时采集多路信号数据。MCU管理变送器(如启动AD转换读写数据等)时只是向各个变送器读写几个字节数据,这个时间较短,而AD转换的过程则是由各变
送器的AD7705自己完成。可以说,MCU接多个变送器时,AD转换的速率与采集单路相同。
4、变送器的数字滤波功能
AD7705内部有数字滤波功能,具有低通和陷波滤波功能。AD7705的转换速率是可编程设定的,如果设其转换速率为50Hz时(每秒数据更新50次),低通滤波的高频截止频率为fh=15.72Hz(3db),同时对50Hz及其倍频均有陷波功能,陷波深度为180dB以上,这样有效的抑制了工频干扰。图4为AD7705数字滤波频率响应示意图。
 
5、结论
1)在压力传感器信号的采集处理方法中,亦可采用基于SPI总线的智能压力变送器进行数字信号传输,它具有抗干扰能力强、线路连接方便等优点。
2)该变送器主要利用AD7705对工频的陷波及低通数字滤波功能实现对现场干扰信号的有效抑制,达到抑制噪声和提高测量精度的目的。
 
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