過(guò)程校驗儀設計及應用

張強 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(zhù)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展,為了保證生產(chǎn)過(guò)程安全、可靠的運行,要隨時(shí)對生產(chǎn)過(guò)程中使用的儀表進(jìn)行維護和校準。傳統的將生產(chǎn)過(guò)程中使用的儀表拿回實(shí)驗室進(jìn)行校準的方法已不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求,取而代之的是在現場(chǎng)直接對儀表進(jìn)行校準。

       根據這一趨勢,國外許多著(zhù)名廠(chǎng)商紛紛推出各自的過(guò)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(lèi)校驗儀除功能和應用范圍及精度要滿(mǎn)足需求外,同時(shí)它還應具有較強的抗環(huán)境適應能力。針對這些要求,福建順昌虹潤精密儀器有限公司開(kāi)發(fā)了NHR100工業(yè)校準器,該產(chǎn)品通過(guò)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(guò)程信號并有智能的輸入、輸出保護功能。產(chǎn)品采用點(diǎn)陣式LCD顯示,單節的9V電池或交流電源適配器供電,防震、防塵、防水濺的結構設計,特別適合在現場(chǎng)對工業(yè)控制過(guò)程的各類(lèi)儀表進(jìn)行校準及維護。下面介紹一下這個(gè)產(chǎn)品的設計原理框圖和關(guān)鍵技術(shù)?！　?/span>

       2、NHR過(guò)程校驗儀設計原理框圖

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

       其原理框圖如圖一

圖一

       3、系統組成部分：

       3.1中央控制器

       中央控制單元作為過(guò)程校準器的核心，主要完成儀表的控制，運算，顯示，通訊等功能；本過(guò)程校準器采用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(jiǎn)指令集的16 Bit 強大CPU，16 Bit寄存器和雙16Bit指針結構（數據指針和地址指針），并且結合五個(gè)低功耗模式，優(yōu)化電源管理，延長(cháng)電池壽命，更加適合便攜式測量應用。

       3.2存儲器設備

       這里的存儲器設備有EEPROM，鐵電存儲器FRAM和內部Flash、RAM構成。EEPROM主要用來(lái)各種信號的分度號表，這些數據在使用時(shí)就從EEPROM讀入內部RAM，用于完成溫度的計算；FRAM的特性是功耗低，讀寫(xiě)速度快，該存儲器用來(lái)記錄掉電時(shí)的儀表狀態(tài)參數，報輸出信號的類(lèi)型，輸出數據大小等；內部Flash用來(lái)存儲過(guò)程校準器的校準參數和儀表的設置參數；內部RAM的特點(diǎn)是保持數據需要供電，但讀寫(xiě)速度非?？?，而且幾乎沒(méi)有擦寫(xiě)時(shí)間的限制，所以用來(lái)作為計算的臨時(shí)寄存器。

       3.3顯示電路、顯示器

       顯示器是交互設備的主體，應該能提供足夠的信息量，便于用戶(hù)的操作

       具有易讀性和易操作性。本過(guò)程校準器采用RA8803作為顯示器的驅動(dòng)芯片，該芯片具有多達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(diǎn)使得做出來(lái)的文字和圖片更加細膩。為能提高可操作性，也可換成多彩屏，甚至是IPS等。

       3.4鍵盤(pán)輸入及電路

       鍵盤(pán)是另外一個(gè)交互設備，一般是用來(lái)給用戶(hù)輸入信息：包括設置儀表參數，校準儀表輸入輸出信號等。本過(guò)程校準器采用一顆按鍵掃描芯片，可通過(guò)串行通信的方式讀取芯片數據，CPU采用中斷的方式讀取掃描芯片的數據，然后完成響應的操作。過(guò)程校準器的鍵盤(pán)操作分一般操作員操作和工程師操作，通過(guò)不同的按鍵組合和密碼來(lái)限制、區分不同的操作類(lèi)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、低漂移的儀用放大器構成其模擬量采樣保持電路，24Bit高分辨率、高速AD芯片進(jìn)行模數轉換；輸入端只有兩個(gè)端子，而輸入端一般有mV、V、mA、Hz和電阻等多種信號，為滿(mǎn)足信號的萬(wàn)能輸入，模擬開(kāi)關(guān)是必不可少的，在這里可以采用觸點(diǎn)鍍銀的低電壓驅動(dòng)繼電器，繼電器在導通電阻的大小，導通電阻的熱穩定性對于普通的電子模擬開(kāi)關(guān)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢，減少因為導通電阻而影響測量的準確性和穩定性。

       3.6模擬輸出及DA部分電路

       過(guò)程校準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(lèi)型的切換，模擬開(kāi)關(guān)是必不可少的，在這里可以采用觸點(diǎn)鍍銀的低電壓驅動(dòng)繼電器，繼電器在導通電阻的大小，導通電阻的熱穩定性對于普通的電子模擬開(kāi)關(guān)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢，減少因為導通電阻而影響輸出信號的準確性和穩定性。同時(shí)采用16Bit的DA轉換芯片亦可以滿(mǎn)足0.01%的準確度（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成恒壓或恒流電路，這樣可以增加信號的帶負載能力，

       3.7RS232通訊電路

       過(guò)程校準器多用于自動(dòng)化系統、過(guò)程儀表的故障診斷、校準、檢定，實(shí)驗室信號的測量和校準，在生產(chǎn)過(guò)程中對各種工業(yè)數字顯示儀表或模塊儀表進(jìn)行模擬信號的校準時(shí)，多用手動(dòng)或自動(dòng)。手動(dòng)用按鍵既可以完成操作，而自動(dòng)化校表則會(huì )用電腦（PC機）來(lái)完成操作，所以過(guò)程校準器多采用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(guò)程校準器可以用鋰電池（8.4V）供電，同時(shí)可以用外部電源適配器進(jìn)行充電?，F在多數工業(yè)儀表都為三隔離（即輸入、輸出、電源三隔離），所以過(guò)程校準器的測量和信號輸出端也應該是電氣隔離的，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。當電池過(guò)低時(shí)，對過(guò)程校準器可能造成霧操作，亦有可能對校準器造成損害，所以適當增加電池電壓的監控電路，包括電池的過(guò)充和過(guò)放電路，這樣有助于延長(cháng)電池的使用壽命

       3.9過(guò)程校驗器軟件部分

       過(guò)程校準器在生產(chǎn)過(guò)程和現場(chǎng)使用都很頻繁，其穩定性，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(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題 .提高軟件質(zhì)量和可靠性通常有兩種方法 :避開(kāi)錯誤和容錯 .其中容錯問(wèn)題又是軟件可靠性的核心問(wèn)題。所以好的軟件應該在錯誤發(fā)生時(shí)系統不受到影，并且良好的HMI（人機交互）界面是操作者更容易使用，也會(huì )更好的減少錯誤的發(fā)生。

       4、NHR過(guò)程校驗儀功能特點(diǎn)

       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

       電阻測量/輸出階梯輸出

       頻率測量/輸出冷端手動(dòng)、自動(dòng)補償選擇

       模擬二、三線(xiàn)制變送器輸入熱工手冊

       4.2特點(diǎn)

       4.2.1手持立式校準儀：

       手持式設計使本產(chǎn)品具有應用方式靈活、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，它可以通過(guò)按鍵操作直接進(jìn)入指定功能區。在工業(yè)現場(chǎng)，您可以將NHR-100掛在身邊對各種電氣設備和傳感器進(jìn)行檢測，給您的現場(chǎng)維護工作帶來(lái)便利和方便。

       4.2.2信號輸出和測量可同步進(jìn)行：

       在常規檢測中，經(jīng)常需要多種測量設備組合才能完成對電氣設備的檢測，如信號源、電阻箱和萬(wàn)用表等?，F在，只要用一臺NHR-100過(guò)程校驗儀，既能對熱電偶、熱電阻以及電流、電壓等儀表執行常規檢查和維護，又能對變送器、溫度調節器和信號隔離器進(jìn)行維護和診斷，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定性?？蓪χ绷麟妷?、直流電流、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(shí)，能夠測量來(lái)自2/3線(xiàn)制變送器的電流信號。

       4.2.5查表功能

       熱工手冊實(shí)現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

       在應用校驗儀進(jìn)行測量和輸出信號時(shí)，相對應的表筆插孔導光柱會(huì )發(fā)出閃光，提示用戶(hù)將測試表筆插入該插孔，智能化的提示給您的操作帶來(lái)方便。

       5、其它功部分介紹

       5.1軟硬件的低功耗設計：

       NHR100的低功耗設計是一個(gè)重要的指標,它直接影響著(zhù)產(chǎn)品的輸入與輸出精度的測量，硬件設計中盡量選用大規模和低功耗集成電路,微處理器采用內含32KROM和上電復位電路及看門(mén)狗定時(shí)器的單片機。由于鍵的數量不多,采用直接由I/O口讀鍵的方式;采用128段低功耗LCD顯示驅動(dòng)器;機內所有運算放大器、基準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(shí)自動(dòng)置為待機狀態(tài),為了節省電池無(wú)謂的損耗,設計了自動(dòng)關(guān)機功能。如果用戶(hù)10 min之內不對儀表進(jìn)行操作,它將自動(dòng)關(guān)機,關(guān)機后機內的MOS開(kāi)關(guān)管將電池與電路部分斷開(kāi),此時(shí)電池輸出電流不到2μA,大大延長(cháng)了電池的使用壽命。

       軟件設計中采用微處理器在執行完當前任務(wù)后自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài),由于微處理器工作期與睡眠期的時(shí)間比小于1/100,所以可大大減少功耗。同時(shí)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面板校準技術(shù)

       打開(kāi)工業(yè)校準器的電源開(kāi)關(guān),中央處理器根據面板上的按鍵選擇進(jìn)入正常工作狀態(tài)，然后根據按鍵校準功能鍵選擇輸入、輸出校準,之后進(jìn)行自檢和初始化,判斷是否有鍵按下,如無(wú)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,轉入相應的鍵執行程序。

       為保證儀表的精度指標,在規定的時(shí)間內要進(jìn)行校準。在校準狀態(tài),所有量程校準由機內面板校準軟件完成。校準參數自動(dòng)存入機內的EEP-ROM內。

       6、結束語(yǔ)

       對NHR100過(guò)程校驗儀校準后,對輸出和輸入檢驗用福祿克1281數字表和5520A標準源進(jìn)行測量,精度高于0·005%量程,24小時(shí)穩定度高于0·001%量程,在溫度實(shí)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?xún)?其溫度影響最大不超過(guò)0·001%量程/℃。

       通過(guò)在現場(chǎng)使用,證明NHR100過(guò)程校驗儀穩定、可靠、功能全、精度高,完全滿(mǎn)足在現場(chǎng)對過(guò)程儀表進(jìn)行校準的要求。