专利名称：一种高性能、智能传感器数字变送系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及压力传感器变送器技术领域，特别涉及一种高性能、智能传感器数字变送系统。
背景技术：
变送器是一种广泛应用于石化行业的检测装置。变送器的功能主要是将压力传感器输出的不同类型非电信号转化成工业标准的电信号，如4-20mA电流信号、1-5V电压信号。通过此类转换，可接收的模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。现有的压力传感器变送器主要实现将压力信号转化成电信号的功能，但此类变送器的精度一般较低。由于压力传感器在不同的温度下的输出所表现出的线性度不同，温漂的存在使得传感器本身的输出具有非线性的特点。通过传统的变送器转化的信号已经带 入温漂，大大降低了变送器的精度。国内外相关行业一直致力于研究针对温漂问题的解决办法，但现有的变送器行业尚未提出一种较为可靠的智能变送方式来解决传感器的温漂问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高性能、智能传感器数字变送系统，具有高精度、高性能、智能化的优点。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是一种高性能、智能传感器数字变送系统，包括传感器1，传感器I的信号输出端与小信号无失真放大电路2的输入端连接，小信号无失真放大电路2的输出端和主处理器单元3的输入端连接，主处理器单元3的第一输入/输出端和液晶模块4连接，主处理器单元3的第二输入/输出端和数字隔离器5的第一输入/输出端连接，数字隔离器5的第二输A /输出端通过RS485总线处理器7和变送器接口连接，主处理器单元3的第三输入/输出端和4-20mA回路信号6的输入/输出端连接，4_20mA回路信号6的输出端和4_20mA隔离器件8的输入端连接，4-20mA隔离器件8的输出端和变送器接口连接，电源管理模块9和传感器I、小信号无失真放大电路2、主处理器单元3的电源输入端连接，电源管理模块9通过电源隔离10与隔离前电源电路保护11相连接，最终接入变送器接口，电源管理模块9与电源隔离10、隔离前电源电路保护11共同组成电源处理模块12。所述的主处理器单元3采用ATMEGA128L，利用最小二乘回归算法将传感器I所发出的信号进行智能补偿，利用上位机标定操作软件将原始信号进行修正。所述的电源管理模块9 米用 Ultra-High-Precision, Ultra-Low-Noise, Series Voltage Reference作为恒流源的电压提供，最大噪声为I. 3 ii VP-P,开关噪声为35nV/ V Hz。本发明可靠性好，测量精度高，有效的提升了传感器的系统精度。同时，本发明应具有良好的电磁兼容性，其电磁兼容性指标应满足GJB151A-1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》。
图I是本发明的系统结构示意图。图2_ (a)是主处理器单兀3电路图，图2_ (b)是小彳目号无失真放大电路2和4_20mA回路信号6的电路图，2-(c)是电源处理模块12的电路图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做详细说明。参照图I，一种高性能、智能传感器数字变送系统，包括传感器1，传感器I的信号输出端与小信号无失真放大电路2的输入端连接，通过小信号无失真放大电路2将原始信号调制成工业标准的4-20mA电流信号，小信号无失真放大电路2的输出端和主处理器单元 3的输入端连接，调制后的信号接入主处理器单元3，主处理器单元3的第一输入/输出端和液晶模块4连接，信号在主处理器单元3内进行相应的补偿后，输出到液晶模块4上用以显示，主处理器单元3的第二输入/输出端和数字隔离器5的第一输入/输出端连接，数字隔离器5的第二输入/输出端通过RS485总线处理器7和变送器接口连接，主处理单元3通过数字隔离器5将处理后的信号通过RS485总线处理器7发送到变送器接口，以供向总站通信，主处理器单元3的第三输入/输出端和4-20mA回路信号6的输入/输出端连接，4-20mA回路信号6的输出端和4_20mA隔离器件8的输入端连接，4_20mA隔离器件8的输出端和变送器接口连接，通过4-20mA回路信号6将调制后的电信号向变送器接口发送，使变送器可以发送一路标准的4-20mA电信号以供扩展使用，4-20mA回路信号6与变送器接口之间有4-20mA隔离器件8，使电路中的数字信号与模拟信号完全隔离，提高信号的信噪t匕，电源管理模块9和传感器I、小信号无失真放大电路2、主处理器单元3的电源输入端连接，通过电源管理模块9向传感器I、小信号无失真放大电路2、主处理器单元3提供相应的稳定电源，电源管理模块9通过电源隔离10与隔离前电源电路保护11相连接，最终接入变送器接口，由于加入了电源隔离10保护模块，提升了电源的稳定性，减小了电源的波纹噪声，电源管理模块9与电源隔离10、隔离前电源电路保护11共同组成电源处理模块12。参照图2_(a)，所述的主处理器单元3选用了 ATMEGA128L，利用最小二乘回归算法将传感器I所发出的信号进行智能补偿，利用上位机标定操作软件将原始信号进行修正，按照一定的频率采样，主处理器单元3将采样数据根据修正的参数优化后显示在液晶显示模块4上，并通过RS-485总线处理器7将数据上传到总线上，并利用修正后的压力值转换成两线制4-20mA回路信号6，标定系统可以方便的标定传感器智能数字变送器并能有效的提升传感器的系统精度。单片机内部采用最小二乘回归算法对传感器的输出进行线性补偿，采用多温度点多压力点标定，再在相邻两个温度点之间进行拟合，从而使得变送器在全温度范围达到最高精度。ATMEGA128L是一种高性能单片机，采用其内部的I路16位高速A/D转换器和I路10位A/D转换器，一路采集信号一路采集基线；采用2路12位D/A转换器，一路控制基线一路控制r20mA信号输出。高精度高速模数转换器为高精度变送器(0. 1%FS或0. 05%FS)提供了可能，另外其内部集成了 64KFLASH存储器，取消了用于存储数据表的外部EEPR0M，简化了外部电路。参照图2_(b)，该图为小信号无失真放大电路2和4_20mA回路信号6的电路图。本系统选用高性能的前端放大器，提高放大电路对干扰噪声的抑制能力。采用低通滤波器抑制高频干扰，采用高共模抑制比的仪表放大器抑制共模干扰。自动基线的方法采用12位D/A控制仪表放大器的参考端，从而自动实现温度漂移、基线漂移、线性漂移的抑制。仪表放大器采用美国ADI公司的AD623，其共模抑制比大于90dB。精密放大器采用美国TI公司的0PA335。参照图2_(c)，该图为电源处理模块12的电路图。该设计添加了防雷击、浪涌抑制等电路保护设计，使得本系统的稳定性更加显著，在极端环境下能够保证系统的正常运行。所述的电源管理模块 9 米用 Ultra-High-Precision, Ultra-Low-Noise, Series Voltage Reference作为恒流源的电压提供,最大噪声为I. 3 ii VP-P,开关噪声为35nV/ V Hz。本发明的工作原理为参照图1，一种高性能、智能传感器数字变送系统通过接收传感器I所发出的信号，将信号通过小信号无失真放大电路2调制成主处理器单元3可用的电信号。放大电路的技术指标为模拟信号频率响应0. 01 lOOKHz，共模拟制比>90dB、输入阻抗>5MQ，输入动态范围(T500mV，采样频率IMHz。放大电路采用三级放大结构，每一级的放大倍数都不大于10倍，第一级仪表放大器放大倍数为5倍，其作用主要是将差分信号转换成单信号，并提供90dB的共模拟制比。第二级运放采用反向输入，放大倍数为2倍，其作用主要是组成一个低通滤波器，将信噪比大幅提升。第三级运放采用反向输入，放大倍数为10倍，其作用主要是信号放大，将反向信号转换成正向信号，最后对信号进行滤波整形，并提供给16-bitA/D转换器。主处理器单元3经过上位机软件标定后，将接收到的信号通过采样数据修正的参数优化后显示在液晶模块4上。数据的修正利用最小二乘回归拟合算法。采用多温度点多压力点标定，再在相邻两个温度点之间进行拟合，从而使得变送器在全温度范围达到最高精度。同时，本智能数字变送系统还通过RS485总线处理器7，按照一定的协议将所采集到的当前压力值发送出去，可用于远程监控。此外，智能数字变送系统还通过4-20mA回路信号6、4-20mA隔离器件8将压力信号调制成工业标准的4_20mA电流信号用以输出。本发明是采用恒流源作为激励，而系统恒流源设计是否精准直接关系到压力传感器采集信号的准确性。本发明采用Ultra-High-Precision, Ultra-Low-Noise, Series Voltage Reference作为恒流源的电压提供，最大噪声为I. 3 ii VP-P,开关噪声为35nV/ V Hz0同时，本系统电路保护采用三级雷击浪涌防护电路，其防护能力符合并超过IEC61000-4-5，ITU-T K20/K21及国标GB9043均有关于雷击浪涌抗扰度测试标准。其通信线路的最高测试标准为10/700us，4KV。10/700us为通信线路中感应出的雷电压波形，表示从零值上升至峰值为时间为10us，下降至峰值的一半为700us。
权利要求
1.一种高性能、智能传感器数字变送系统，包括传感器(1)，其特征在于传感器(I)的信号输出端与小信号无失真放大电路(2)的输入端连接，小信号无失真放大电路(2)的输出端和主处理器单元(3)的输入端连接，主处理器单元(3)的第一输入/输出端和液晶模块(4)连接，主处理器单元(3)的第二输入/输出端和数字隔离器(5)的第一输入/输出端连接，数字隔离器(5)的第二输入/输出端通过RS485总线处理器(7)和变送器接口连接，主处理器单元(3)的第三输入/输出端和4-20mA回路信号(6)的输入/输出端连接，4_20mA回路信号(6)的输出端和4-20mA隔离器件(8)的输入端连接，4_20mA隔离器件(8)的输出端和变送器接口连接，电源管理模块(9 )和传感器(I)、小信号无失真放大电路(2 )、主处理器单元(3)的电源输入端连接，电源管理模块(9)通过电源隔离(10)与隔离前电源电路保护(11)相连接，最终接入变送器接口，电源管理模块(9)与电源隔离(10)、隔离前电源电路保护(11)共同组成电源处理模块(12)。
2.根据权利要求I所述的一种高性能、智能传感器数字变送系统，其特征在于所述的主处理器单元(3)采用ATMEGA128L，利用最小二乘回归算法将传感器(I)所发出的信号进行智能补偿，利用上位机标定操作软件将原始信号进行修正。
3.根据权利要求I所述的一种高性能、智能传感器数字变送系统，其特征在于所述的电源管理模块(9)米用 Ultra-High-Precision，Ultra-Low-Noise，Series VoltageReference作为恒流源的电压提供，最大噪声为I. 3u VP-P，开关噪声为35nV/ V Hz0
全文摘要
一种高性能、智能传感器数字变送系统，包括传感器，其信号输出端经过小信号无失真放大电路和主处理器单元的输入端连接，主处理器单元的第一输入/输出端和液晶模块连接，主处理器单元的第二输入/输出端和数字隔离器的第一输入/输出端连接，数字隔离器的第二输入/输出端通过RS485总线处理器和变送器接口连接，主处理器单元的第三输入/输出端经4-20mA回路信号、4-20mA隔离器件和变送器接口连接，电源处理模块提供流源的电压，主处理器单元将参数优化后显示在液晶显示模块上，并通过RS-485总线处理器将数据上传到总线上，并利用修正后的压力值转换成两线制4-20mA回路信号，本发明具有高精度、智能化的优点。
文档编号G01L19/00GK102778327SQ20121023080
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者牛喆, 王建军, 赵玉龙, 郭方方 申请人:西安交通大学