Sensorsignal-Umwandlungsmodul vom Typ PT100-III
Abstract: In diesem Artikel wird das Hardware- und Softwaredesign des Mehrkanal-PT100-III-Signalumwandlungsmoduls vorgestellt.
Schlüsselwörter: Dreileitersystem; PT100; MODBUS
Einführung
PT100 ist ein weit verbreitetes Temperaturmesselement. Es hat beispiellose Vorteile bei jedem Temperatursensor im Bereich von -50 ° C bis 600 ° C, einschließlich hoher Präzision, guter Stabilität und starker Entstörungsfähigkeit. Da der Widerstandswert des Platinwärmewiderstands nichtlinear zur Temperatur ist, muss dieses Modul eine nichtlineare Korrektur durchführen. Das allgemeine Modul wird durch eine Analogschaltung korrigiert. Die Genauigkeit dieser Korrektur ist nicht hoch und der Grad der Störung, wie z. B. der Temperaturdrift, ist ebenfalls groß. Dieses Modul verwendet die Interpolationsmethode der Software-Nachschlagetabelle zur Korrektur und wandelt sie schließlich in ein Signal vom Typ III um. Das Typ III-Signal ist die Änderung des 4-20 mA-Stroms auf der Ausgangsleitung, wenn sich das gemessene Signal vom unteren Bereich in den oberen Bereich (0% bis 100%) ändert. Darüber hinaus verfügt das Modul über einen Kommunikationsport des MODBUS-Protokolls, der direkt an einen beliebigen MODBUS-Port angeschlossen werden kann.
Abbildung 1 Abtastschaltung
Abbildung 2 Host-Schaltung
Abbildung 3 D / A-Schaltung
System-Design
Das gesamte Modul basiert auf dem neuen Atmega16-Mikrocontroller von AVR, der ein Drei-Draht-System verwendet, um die durch den Drahtwiderstand verursachte Ungenauigkeit des Nullpunkts zu beseitigen. Die Differenzverstärkerschaltung erhält direkt die Signalspannung von 0 ~ 5 V, so dass sie direkt in den A / D-Wandler eingegeben werden kann.
Im Datenverarbeitungsabschnitt wird der Widerstandswert von jeweils 10 ° C in der PT100-Indextabelle in den Flash-Speicher geschrieben. Auf diese Weise wird der Spannungswert auf den Widerstandswert zurückgesetzt, so dass die Tabelle überprüft wird. Wenn der Widerstand zwischen einem bestimmten Segment liegt, wird eine lineare Verarbeitung durchgeführt, so dass der Linearisierungsgrad des Systems bis zu 0,2% betragen kann.
Das D / A-Umwandlungssystem verwendet einen 373-Chip als Latch und verwendet ein Gewichtswiderstandsnetzwerk für die D / A-Umwandlung, was Kosten spart und Genauigkeit gewährleistet. Schließlich wird das Signal über einen Spannungs- und Stromumwandlungsteil als Typ-III-Signal übertragen, um die Funktion des Moduls zu vervollständigen.
Abbildung 4 V / I-Wandlerschaltung
Abbildung 5 485 Kommunikationsschaltung
Abtastschaltung
Die Abtastschaltung ist in Abbildung 1 dargestellt. Der PT100 wird in einem Dreileitersystem an J0 angeschlossen. Auf diese Weise sind die Längen der Drähte, die die beiden Seiten des PT100 verbinden, gleich und werden jeweils auf beiden Seiten zu den Brückenarmen addiert. Auf diese Weise wird der Drahtwiderstand beseitigt. Wenn der PT100 100Ω ausgibt, kann der Widerstand von R1 angepasst werden, um die untere Temperaturgrenze anzupassen. Wenn der Temperaturbereich 0 bis 300 ° C beträgt, beträgt die Spannung von Anolog0 genau 0 bis 5 V, nachdem die Brückenspannung verstärkt wurde, so dass die Umwandlungsgenauigkeit des A / D-Wandlers des Ein-Chip-Mikrocomputers vollständig genutzt werden kann.
Host-Schaltung
Die Host-Schaltung ist in Abbildung 2 dargestellt. Die CPU verwendet Atmega16 mit 8 10-Bit-A / D-Wandlern. Es hat eine schnelle Konvertierungsgeschwindigkeit und hohe Präzision und es muss kein Gerät erweitert werden. Der 74LS138 wird verwendet, um die Latches jedes Kanals zu decodieren und zu aktivieren. Mit einem 8-MHz-Quarz kann die Geschwindigkeit die Anforderungen des Systems voll erfüllen. Die Referenzspannung für die A / D-Wandlung ist direkt VCC, was Hardware spart und die Schaltung vereinfacht. Präzisionsregler wie der TL431 können für hohe Genauigkeitsanforderungen ausgewählt werden.
D / A-Wandlerschaltung
Um Kosten zu sparen, verwendet das System keinen dedizierten D / A-Wandlungschip, sondern das Prinzip der D / A-Wandlung. Durch die Verwendung des Gewichtswiderstandsnetzwerks für den D / A-Wandler kann die Genauigkeit garantiert werden, die Geschwindigkeit ist höher und die CPU-Steuerung ist relativ einfach. Die Schaltung ist in Abbildung 3 dargestellt. 74lS373 Latch, bei dem die CPU jedes Mal zwischengespeichert wird, wenn die Daten aktualisiert werden. Der OE-Pin ist mit dem Chipauswahlsignal des 138-Chips verbunden, und die Daten werden an der fallenden Flanke von LE zwischengespeichert.
V / I-Umwandlungsschaltung
Die V / I-Wandlerschaltung ist in Abbildung 4 dargestellt. Sie wandelt das nach der A / D-Wandlung erhaltene Spannungssignal in einen 4-20-mA-Typ-III-Signalausgang um. I = V / R3.
RS-485-Kommunikationsschaltung
Der Kommunikationschip verwendet den MAX485-Chip, der die Empfangsberechtigung mit der Sendeberechtigung verbindet (siehe Abb. 5). Verwenden Sie eine Portleitung, um unter normalen Umständen zu steuern, ob Sie die Erlaubnis annehmen, wenn Sie senden müssen, oder festlegen, dass zugelassen wird.
Software-Design
Software-Design ist der Schlüssel zu diesem System und es ist auch ein anderer Ort. Die allgemeine Platinbeständigkeit für Typ III-Signalmodule besteht ausschließlich aus analogen Schaltkreisen und es gibt keinen Softwareteil. Das System verwendet eine digitale lineare Korrektur, um die Genauigkeit des Moduls erheblich zu verbessern. Der Software-Ablauf ist in Abbildung 6 dargestellt. Die Software ist in Hauptprogramm, Interrupt-Service-Unterprogramm und alle Programme in C-Sprache unterteilt. Das Programm wird um ICCAVR6.30 getestet.
Fazit
Das auf einem Ein-Chip-Mikrocomputer basierende Signalumwandlungsmodul vom Typ PT100-III bietet die Vorteile hoher Präzision, digitaler Kommunikation und Aufrüstbarkeit. Dieses Modul wurde zur Erfassung der Abgastemperatur in mehreren Wärmekraftwerken eingesetzt. Unter ihnen werden das Typ-III-Signal und die digitale Kommunikation verwendet, und alle haben gute Ergebnisse erzielt.
Schlüsselwörter: Dreileitersystem; PT100; MODBUS
Einführung
PT100 ist ein weit verbreitetes Temperaturmesselement. Es hat beispiellose Vorteile bei jedem Temperatursensor im Bereich von -50 ° C bis 600 ° C, einschließlich hoher Präzision, guter Stabilität und starker Entstörungsfähigkeit. Da der Widerstandswert des Platinwärmewiderstands nichtlinear zur Temperatur ist, muss dieses Modul eine nichtlineare Korrektur durchführen. Das allgemeine Modul wird durch eine Analogschaltung korrigiert. Die Genauigkeit dieser Korrektur ist nicht hoch und der Grad der Störung, wie z. B. der Temperaturdrift, ist ebenfalls groß. Dieses Modul verwendet die Interpolationsmethode der Software-Nachschlagetabelle zur Korrektur und wandelt sie schließlich in ein Signal vom Typ III um. Das Typ III-Signal ist die Änderung des 4-20 mA-Stroms auf der Ausgangsleitung, wenn sich das gemessene Signal vom unteren Bereich in den oberen Bereich (0% bis 100%) ändert. Darüber hinaus verfügt das Modul über einen Kommunikationsport des MODBUS-Protokolls, der direkt an einen beliebigen MODBUS-Port angeschlossen werden kann.
Abbildung 1 Abtastschaltung
Abbildung 2 Host-Schaltung
Abbildung 3 D / A-Schaltung
System-Design
Das gesamte Modul basiert auf dem neuen Atmega16-Mikrocontroller von AVR, der ein Drei-Draht-System verwendet, um die durch den Drahtwiderstand verursachte Ungenauigkeit des Nullpunkts zu beseitigen. Die Differenzverstärkerschaltung erhält direkt die Signalspannung von 0 ~ 5 V, so dass sie direkt in den A / D-Wandler eingegeben werden kann.
Im Datenverarbeitungsabschnitt wird der Widerstandswert von jeweils 10 ° C in der PT100-Indextabelle in den Flash-Speicher geschrieben. Auf diese Weise wird der Spannungswert auf den Widerstandswert zurückgesetzt, so dass die Tabelle überprüft wird. Wenn der Widerstand zwischen einem bestimmten Segment liegt, wird eine lineare Verarbeitung durchgeführt, so dass der Linearisierungsgrad des Systems bis zu 0,2% betragen kann.
Das D / A-Umwandlungssystem verwendet einen 373-Chip als Latch und verwendet ein Gewichtswiderstandsnetzwerk für die D / A-Umwandlung, was Kosten spart und Genauigkeit gewährleistet. Schließlich wird das Signal über einen Spannungs- und Stromumwandlungsteil als Typ-III-Signal übertragen, um die Funktion des Moduls zu vervollständigen.
Abbildung 4 V / I-Wandlerschaltung
Abbildung 5 485 Kommunikationsschaltung
Abtastschaltung
Die Abtastschaltung ist in Abbildung 1 dargestellt. Der PT100 wird in einem Dreileitersystem an J0 angeschlossen. Auf diese Weise sind die Längen der Drähte, die die beiden Seiten des PT100 verbinden, gleich und werden jeweils auf beiden Seiten zu den Brückenarmen addiert. Auf diese Weise wird der Drahtwiderstand beseitigt. Wenn der PT100 100Ω ausgibt, kann der Widerstand von R1 angepasst werden, um die untere Temperaturgrenze anzupassen. Wenn der Temperaturbereich 0 bis 300 ° C beträgt, beträgt die Spannung von Anolog0 genau 0 bis 5 V, nachdem die Brückenspannung verstärkt wurde, so dass die Umwandlungsgenauigkeit des A / D-Wandlers des Ein-Chip-Mikrocomputers vollständig genutzt werden kann.
Host-Schaltung
Die Host-Schaltung ist in Abbildung 2 dargestellt. Die CPU verwendet Atmega16 mit 8 10-Bit-A / D-Wandlern. Es hat eine schnelle Konvertierungsgeschwindigkeit und hohe Präzision und es muss kein Gerät erweitert werden. Der 74LS138 wird verwendet, um die Latches jedes Kanals zu decodieren und zu aktivieren. Mit einem 8-MHz-Quarz kann die Geschwindigkeit die Anforderungen des Systems voll erfüllen. Die Referenzspannung für die A / D-Wandlung ist direkt VCC, was Hardware spart und die Schaltung vereinfacht. Präzisionsregler wie der TL431 können für hohe Genauigkeitsanforderungen ausgewählt werden.
D / A-Wandlerschaltung
Um Kosten zu sparen, verwendet das System keinen dedizierten D / A-Wandlungschip, sondern das Prinzip der D / A-Wandlung. Durch die Verwendung des Gewichtswiderstandsnetzwerks für den D / A-Wandler kann die Genauigkeit garantiert werden, die Geschwindigkeit ist höher und die CPU-Steuerung ist relativ einfach. Die Schaltung ist in Abbildung 3 dargestellt. 74lS373 Latch, bei dem die CPU jedes Mal zwischengespeichert wird, wenn die Daten aktualisiert werden. Der OE-Pin ist mit dem Chipauswahlsignal des 138-Chips verbunden, und die Daten werden an der fallenden Flanke von LE zwischengespeichert.
V / I-Umwandlungsschaltung
Die V / I-Wandlerschaltung ist in Abbildung 4 dargestellt. Sie wandelt das nach der A / D-Wandlung erhaltene Spannungssignal in einen 4-20-mA-Typ-III-Signalausgang um. I = V / R3.
RS-485-Kommunikationsschaltung
Der Kommunikationschip verwendet den MAX485-Chip, der die Empfangsberechtigung mit der Sendeberechtigung verbindet (siehe Abb. 5). Verwenden Sie eine Portleitung, um unter normalen Umständen zu steuern, ob Sie die Erlaubnis annehmen, wenn Sie senden müssen, oder festlegen, dass zugelassen wird.
Software-Design
Software-Design ist der Schlüssel zu diesem System und es ist auch ein anderer Ort. Die allgemeine Platinbeständigkeit für Typ III-Signalmodule besteht ausschließlich aus analogen Schaltkreisen und es gibt keinen Softwareteil. Das System verwendet eine digitale lineare Korrektur, um die Genauigkeit des Moduls erheblich zu verbessern. Der Software-Ablauf ist in Abbildung 6 dargestellt. Die Software ist in Hauptprogramm, Interrupt-Service-Unterprogramm und alle Programme in C-Sprache unterteilt. Das Programm wird um ICCAVR6.30 getestet.
Fazit
Das auf einem Ein-Chip-Mikrocomputer basierende Signalumwandlungsmodul vom Typ PT100-III bietet die Vorteile hoher Präzision, digitaler Kommunikation und Aufrüstbarkeit. Dieses Modul wurde zur Erfassung der Abgastemperatur in mehreren Wärmekraftwerken eingesetzt. Unter ihnen werden das Typ-III-Signal und die digitale Kommunikation verwendet, und alle haben gute Ergebnisse erzielt.
