過程校驗儀設(shè)計及應(yīng)用

張強(qiáng) 林善平 陳志揚 卞堅斌

福建順昌虹潤精密儀器有限公司

引言

       隨著生產(chǎn)過程自動化技術(shù)的發(fā)展,為了保證生產(chǎn)過程安全、可靠的運行,要隨時對生產(chǎn)過程中使用的儀表進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的將生產(chǎn)過程中使用的儀表拿回實驗室進(jìn)行校準(zhǔn)的方法已不能滿足生產(chǎn)的要求,取而代之的是在現(xiàn)場直接對儀表進(jìn)行校準(zhǔn)。

       根據(jù)這一趨勢,國外許多著名廠商紛紛推出各自的過程校驗儀,如美國福祿克公司的F710系列,日本橫河公司的CA100系列等。這類校驗儀除功能和應(yīng)用范圍及精度要滿足需求外,同時它還應(yīng)具有較強(qiáng)的抗環(huán)境適應(yīng)能力。針對這些要求,福建順昌虹潤精密儀器有限公司開發(fā)了NHR100工業(yè)校準(zhǔn)器,該產(chǎn)品通過便捷的面板按鍵操作，可精確的輸出和測量電壓、電流、電阻、溫度、頻率、壓力等過程信號并有智能的輸入、輸出保護(hù)功能。產(chǎn)品采用點陣式LCD顯示,單節(jié)的9V電池或交流電源適配器供電,防震、防塵、防水濺的結(jié)構(gòu)設(shè)計,特別適合在現(xiàn)場對工業(yè)控制過程的各類儀表進(jìn)行校準(zhǔn)及維護(hù)。下面介紹一下這個產(chǎn)品的設(shè)計原理框圖和關(guān)鍵技術(shù)。　　

       2、NHR過程校驗儀設(shè)計原理框圖

       NHR100型過程過程校驗儀采用高速、低功耗、高性能的MSP430系列單片機(jī)作為中央控制單元，外加鐵電和Flash作為存儲器，還有電源管理電路，精確控制整機(jī)功率消耗。

       其原理框圖如圖一

圖一

       3、系統(tǒng)組成部分：

       3.1中央控制器

       中央控制單元作為過程校準(zhǔn)器的核心，主要完成儀表的控制，運算，顯示，通訊等功能；本過程校準(zhǔn)器采用TI超低功耗的MSP430F449系列高性能微處理芯片為作為中央控單元，該器件是具有RISC精簡指令集的16 Bit 強(qiáng)大CPU，16 Bit寄存器和雙16Bit指針結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)指針和地址指針），并且結(jié)合五個低功耗模式，優(yōu)化電源管理，延長電池壽命，更加適合便攜式測量應(yīng)用。

       3.2存儲器設(shè)備

       這里的存儲器設(shè)備有EEPROM，鐵電存儲器FRAM和內(nèi)部Flash、RAM構(gòu)成。EEPROM主要用來各種信號的分度號表，這些數(shù)據(jù)在使用時就從EEPROM讀入內(nèi)部RAM，用于完成溫度的計算；FRAM的特性是功耗低，讀寫速度快，該存儲器用來記錄掉電時的儀表狀態(tài)參數(shù)，報輸出信號的類型，輸出數(shù)據(jù)大小等；內(nèi)部Flash用來存儲過程校準(zhǔn)器的校準(zhǔn)參數(shù)和儀表的設(shè)置參數(shù)；內(nèi)部RAM的特點是保持?jǐn)?shù)據(jù)需要供電，但讀寫速度非?？欤?guī)缀鯖]有擦寫時間的限制，所以用來作為計算的臨時寄存器。

       3.3顯示電路、顯示器

       顯示器是交互設(shè)備的主體，應(yīng)該能提供足夠的信息量，便于用戶的操作

       具有易讀性和易操作性。本過程校準(zhǔn)器采用RA8803作為顯示器的驅(qū)動芯片，該芯片具有多達(dá)512k的行列映射寄存器，64級的灰度控制，能完成更加豐富的界面顯示。液晶顯示器則采用工業(yè)級的，分辨率為320x240的，0.12mm的像素點使得做出來的文字和圖片更加細(xì)膩。為能提高可操作性，也可換成多彩屏，甚至是IPS等。

       3.4鍵盤輸入及電路

       鍵盤是另外一個交互設(shè)備，一般是用來給用戶輸入信息：包括設(shè)置儀表參數(shù)，校準(zhǔn)儀表輸入輸出信號等。本過程校準(zhǔn)器采用一顆按鍵掃描芯片，可通過串行通信的方式讀取芯片數(shù)據(jù)，CPU采用中斷的方式讀取掃描芯片的數(shù)據(jù)，然后完成響應(yīng)的操作。過程校準(zhǔn)器的鍵盤操作分一般操作員操作和工程師操作，通過不同的按鍵組合和密碼來限制、區(qū)分不同的操作類型。

       3.5模擬輸入、采樣保持及AD部分電路

       在模擬測量端為達(dá)到0.01%的測量精度，輸入端采用低溫漂的精密電阻，再加上低失調(diào)、低漂移的儀用放大器構(gòu)成其模擬量采樣保持電路，24Bit高分辨率、高速AD芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；輸入端只有兩個端子，而輸入端一般有mV、V、mA、Hz和電阻等多種信號，為滿足信號的萬能輸入，模擬開關(guān)是必不可少的，在這里可以采用觸點鍍銀的低電壓驅(qū)動繼電器，繼電器在導(dǎo)通電阻的大小，導(dǎo)通電阻的熱穩(wěn)定性對于普通的電子模擬開關(guān)具有無可比擬的優(yōu)勢，減少因為導(dǎo)通電阻而影響測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

       3.6模擬輸出及DA部分電路

       過程校準(zhǔn)器亦可作為其他儀表的信號源，可以輸出mV、V,Hz,mA和電阻等多種信號,為進(jìn)行信號類型的切換，模擬開關(guān)是必不可少的，在這里可以采用觸點鍍銀的低電壓驅(qū)動繼電器，繼電器在導(dǎo)通電阻的大小，導(dǎo)通電阻的熱穩(wěn)定性對于普通的電子模擬開關(guān)具有無可比擬的優(yōu)勢，減少因為導(dǎo)通電阻而影響輸出信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。同時采用16Bit的DA轉(zhuǎn)換芯片亦可以滿足0.01%的準(zhǔn)確度（理論計算的分辨率為0.0015%），在輸出端可以用運放和其他電子元件構(gòu)成恒壓或恒流電路，這樣可以增加信號的帶負(fù)載能力，

       3.7RS232通訊電路

       過程校準(zhǔn)器多用于自動化系統(tǒng)、過程儀表的故障診斷、校準(zhǔn)、檢定，實驗室信號的測量和校準(zhǔn)，在生產(chǎn)過程中對各種工業(yè)數(shù)字顯示儀表或模塊儀表進(jìn)行模擬信號的校準(zhǔn)時，多用手動或自動。手動用按鍵既可以完成操作，而自動化校表則會用電腦（PC機(jī)）來完成操作，所以過程校準(zhǔn)器多采用RS232通訊，軟件協(xié)議可采用ModBus,TrendBus,UT,TCP/IP等多種協(xié)議。

       3.8電源管理部分

       過程校準(zhǔn)器可以用鋰電池（8.4V）供電，同時可以用外部電源適配器進(jìn)行充電?，F(xiàn)在多數(shù)工業(yè)儀表都為三隔離（即輸入、輸出、電源三隔離），所以過程校準(zhǔn)器的測量和信號輸出端也應(yīng)該是電氣隔離的，因此其電源部分也是隔離的，多采用DC DC轉(zhuǎn)換，輸出多種獨立、隔離的電源供給測量或信號輸出部分電路。當(dāng)電池過低時，對過程校準(zhǔn)器可能造成霧操作，亦有可能對校準(zhǔn)器造成損害，所以適當(dāng)增加電池電壓的監(jiān)控電路，包括電池的過充和過放電路，這樣有助于延長電池的使用壽命

       3.9過程校驗器軟件部分

       過程校準(zhǔn)器在生產(chǎn)過程和現(xiàn)場使用都很頻繁，其穩(wěn)定性，可操作性顯得尤為重要。軟件質(zhì)量和軟件的可靠性是軟件生存的基本條件 ,提高軟件質(zhì)量是軟件開發(fā)過程中的關(guān)鍵問題 .提高軟件質(zhì)量和可靠性通常有兩種方法 :避開錯誤和容錯 .其中容錯問題又是軟件可靠性的核心問題。所以好的軟件應(yīng)該在錯誤發(fā)生時系統(tǒng)不受到影，并且良好的HMI（人機(jī)交互）界面是操作者更容易使用，也會更好的減少錯誤的發(fā)生。

       4、NHR過程校驗儀功能特點

       4.1功能

       電壓測量/輸出熱電偶、熱電阻測量/輸出

       電流測量/輸出脈沖計數(shù)

       電阻測量/輸出階梯輸出

       頻率測量/輸出冷端手動、自動補(bǔ)償選擇

       模擬二、三線制變送器輸入熱工手冊

       4.2特點

       4.2.1手持立式校準(zhǔn)儀：

       手持式設(shè)計使本產(chǎn)品具有應(yīng)用方式靈活、操作簡便的特點，它可以通過按鍵操作直接進(jìn)入指定功能區(qū)。在工業(yè)現(xiàn)場，您可以將NHR-100掛在身邊對各種電氣設(shè)備和傳感器進(jìn)行檢測，給您的現(xiàn)場維護(hù)工作帶來便利和方便。

       4.2.2信號輸出和測量可同步進(jìn)行：

       在常規(guī)檢測中，經(jīng)常需要多種測量設(shè)備組合才能完成對電氣設(shè)備的檢測，如信號源、電阻箱和萬用表等?，F(xiàn)在，只要用一臺NHR-100過程校驗儀，既能對熱電偶、熱電阻以及電流、電壓等儀表執(zhí)行常規(guī)檢查和維護(hù)，又能對變送器、溫度調(diào)節(jié)器和信號隔離器進(jìn)行維護(hù)和診斷，它為提高您的工作的效率提供了極好的手段。

       4.2.3高精度、多功能的源和測量：

       對于源單元和測量單元的直流電壓、直流電流具有高精度和高穩(wěn)定性?？蓪χ绷麟妷骸⒅绷麟娏?、電阻、熱電阻、熱電偶和頻率等進(jìn)行測量。

       4.2.4環(huán)路供電：

       具備24V配電能力，在向環(huán)路供電(最大30mADC)時，能夠測量來自2/3線制變送器的電流信號。

       4.2.5查表功能

       熱工手冊實現(xiàn)熱偶的毫伏值與溫度值、熱電阻的電阻值與溫度值的快捷互查。

       4.2.6智能插孔

       在應(yīng)用校驗儀進(jìn)行測量和輸出信號時，相對應(yīng)的表筆插孔導(dǎo)光柱會發(fā)出閃光，提示用戶將測試表筆插入該插孔，智能化的提示給您的操作帶來方便。

       5、其它功部分介紹

       5.1軟硬件的低功耗設(shè)計：

       NHR100的低功耗設(shè)計是一個重要的指標(biāo),它直接影響著產(chǎn)品的輸入與輸出精度的測量，硬件設(shè)計中盡量選用大規(guī)模和低功耗集成電路,微處理器采用內(nèi)含32KROM和上電復(fù)位電路及看門狗定時器的單片機(jī)。由于鍵的數(shù)量不多,采用直接由I/O口讀鍵的方式;采用128段低功耗LCD顯示驅(qū)動器;機(jī)內(nèi)所有運算放大器、基準(zhǔn)都采用低功耗的精密器件。對于耗電較大的24V升壓DC/DC電源電路,采用在功能切換或更換量程時自動置為待機(jī)狀態(tài),為了節(jié)省電池?zé)o謂的損耗,設(shè)計了自動關(guān)機(jī)功能。如果用戶10 min之內(nèi)不對儀表進(jìn)行操作,它將自動關(guān)機(jī),關(guān)機(jī)后機(jī)內(nèi)的MOS開關(guān)管將電池與電路部分?jǐn)嚅_,此時電池輸出電流不到2μA,大大延長了電池的使用壽命。

       軟件設(shè)計中采用微處理器在執(zhí)行完當(dāng)前任務(wù)后自動進(jìn)入睡眠狀態(tài),由于微處理器工作期與睡眠期的時間比小于1/100,所以可大大減少功耗。同時由于在睡眠期微處理器對外部的干擾不敏感,這樣可提高儀表的抗干擾性。

       5.2面板校準(zhǔn)技術(shù)

       打開工業(yè)校準(zhǔn)器的電源開關(guān),中央處理器根據(jù)面板上的按鍵選擇進(jìn)入正常工作狀態(tài)，然后根據(jù)按鍵校準(zhǔn)功能鍵選擇輸入、輸出校準(zhǔn),之后進(jìn)行自檢和初始化,判斷是否有鍵按下,如無鍵操作,處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài),如有鍵按下,喚醒處理器進(jìn)行鍵分析,轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵執(zhí)行程序。

       為保證儀表的精度指標(biāo),在規(guī)定的時間內(nèi)要進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)狀態(tài),所有量程校準(zhǔn)由機(jī)內(nèi)面板校準(zhǔn)軟件完成。校準(zhǔn)參數(shù)自動存入機(jī)內(nèi)的EEP-ROM內(nèi)。

       6、結(jié)束語

       對NHR100過程校驗儀校準(zhǔn)后,對輸出和輸入檢驗用福祿克1281數(shù)字表和5520A標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行測量,精度高于0·005%量程,24小時穩(wěn)定度高于0·001%量程,在溫度實驗箱做0~50℃溫度試驗,輸出和輸入各量程精度均在0·02%量程以內(nèi),其溫度影響最大不超過0·001%量程/℃。

       通過在現(xiàn)場使用,證明NHR100過程校驗儀穩(wěn)定、可靠、功能全、精度高,完全滿足在現(xiàn)場對過程儀表進(jìn)行校準(zhǔn)的要求。