CN104714084A - 一种自适应变送器电流平均值装置及控制方法 - Google Patents

一种自适应变送器电流平均值装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自适应变送器电流平均值装置，由数字电位器电流平均值单元、单片机控制单元、电流平均值放大变送单元组成，设有多个电流输入端，一个平均值电流变送输出端。所述装置能够判别各电流输入端的输入电流是否在4-20mA有效范围之内，且将在有效范围之内的的输入端电流的平均值计算出来，并从平均值电流变送输出端输出，可以用在需要计算多个变送器电流的平均值并输出的场合。

Description

一种自适应变送器电流平均值装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种变送器信号处理技术，尤其是一种自适应变送器电流平均值装置及控制方法。
背景技术
在很多情况下，同一参数测量的结果需要使用多点测量值的平均值。当测量系统的传感器输入通道数量不够，特别是测量系统在设计之初是使用单个参数测量变送器进行参数测量与变送，需要增加参数测量变送器的数量，改成使用多点测量值的平均值方案时，测量系统将面临需要重新设计的情况。
发明内容
本发明的目的是为多点测量值的平均值计算提供一种解决方案，即能够自动判断计算多个变送器电流的平均值并输出的装置。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种自适应变送器电流平均值装置，由数字电位器电流平均值单元、单片机控制单元、电流平均值放大变送单元组成。
所述数字电位器电流平均值单元包括n条结构与参数相同的数字电位器分流支路1－n，n为大于等于2的整数；每条数字电位器分流支路设有1个电流输入端，每个电流输入端都可以接入1个变送器电流环路；所述数字电位器电流平均值单元还设有分流输出端。
所述数字电位器电流平均值单元还包括电阻R0；电阻R0的两端分别连接至分流输出端和公共地。
设i为大于等于1、小于等于n的整数，数字电位器分流支路i设有电流输入端Ii和取样电压输出端Vi。
所述数字电位器分流支路i由取样电阻Ri、数字电位器Ui以及基准电阻RPi组成；所述取样电阻Ri串联在输入电流Ii回路中，其输入电流Ii流出端连接至公共地；取样电阻Ri的输入电流Ii流入端设为取样电压输出端Vi；所述数字电位器Ui包括有1个可调电阻RWi；所述可调电阻RWi与基准电阻RPi的串联电路两端分别连接至取样电压输出端Vi和分流输出端；所述数字电位器Ui还包括有片选控制端CSi、时钟信号输入端SCK、数据信号输入端SI。
所述单片机控制单元包括单片机最小系统，还包括n个模拟信号输入端A1－An、n个电平控制输出端OUT1－OUTn和SPI串行接口；所述SPI串行接口包括时钟信号输出端CLK、数据信号输出端SIMO。
所述数字电位器分流支路1－n的取样电压输出端V1－Vn分别连接至单片机控制单元的模拟信号输入端A1－An；所述数字电位器分流支路1－n的片选控制端CS1－CSn分别连接至单片机控制单元的电平控制输出端OUT1－OUTn；所述数字电位器U1－Un的时钟信号输入端SCK并联后连接至单片机控制单元中SPI串行接口的时钟信号输出端CLK；所述数字电位器U1－Un的数据信号输入端SI并联后连接至单片机控制单元中SPI串行接口的数据信号输出端SIMO。
所述电流平均值放大变送单元设有变送电流输入端、变送电流返回端和平均值电流变送输出端；所述变送电流返回端连接至公共地；所述变送电流输入端连接至数字电位器电流平均值单元的分流输出端；所述变送电流输入端为虚地端。
所述电流平均值放大变送单元由电流变送器和三极管V01、电容C01组成；所述电流变送器为XTR115。
所述数字电位器U1－Un均选择MCP41100。
所述单片机控制单元的单片机选择MSP430G2553，最多有5个电流输入端。
另外=一方面提供一种自适应变送器电流平均值装置的控制方法，包括：
所述数字电位器U1－Un均具有断开电阻电路的关断功能。
设取样电阻阻值为R，电流平均值放大变送单元的电流放大倍数为k，数字电位器U1－Un的抽头电阻值为RW0，输入电流I1－In在4－20mA范围之内的数字电位器分流支路数量为p，p为大于等于1、小于等于n的整数；所述数字电位器分流支路1－n的电阻参数满足
    。
所述单片机控制单元的控制步骤是：
A、初始化，控制所有的数字电位器U1－Un断开电阻电路；
B、启动A/D转换，获取取样电压V1－Vn值；
C、取样电压V1－Vn值转换为输入电流I1－In值，转换方法是，当数字电位器Ui被断开电阻电路时，
   ；
当数字电位器Ui没有被断开电阻电路时，
  ；
D、判别确定输入电流I1－In在4－20mA范围之内的数字电位器分流支路，记其数量为p ；
E、控制p条输入电流在4－20mA范围之内的数字电位器分流支路中的数字电位器阻值，使数字电位器分流支路的分流比例是；控制n –p条输入电流不在4－20mA范围之内的数字电位器分流支路中的数字电位器断开电阻电路；
F、返回步骤B。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：采用单片机判断输入电流大小是否在4-20mA范围之内，准确方便；需要计算平均值的变送器电流数量，可以是所述装置最大输入端子数量之内的任意值；需要计算平均值的多个变送器电流，可以任意选择输入端接入；根据实际输入的有效工作的变送器电流的数量，采用数字电位器调整各数字电位器分流支路的分流比例，再将分流电流相加的方法实现电流平均值计算，方便灵活；装置能够直接计算输出多个变送器电流的平均值，响应快速。
附图说明
图1为结构框图。
图2为数字电位器电流平均值单元。
图3为单片机控制单元。
图4为单片机控制单元原理图。
图5为电流平均值放大变送单元。
图6为单片机控制单元控制流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的结构框图如图1所示，一种自适应变送器电流平均值装置，由数字电位器电流平均值单元、单片机控制单元、电流平均值放大变送单元组成。
数字电位器电流平均值单元如图2所示。
图2中仅画出了数字电位器分流支路1、数字电位器分流支路2和数字电位器分流支路n。所有n个数字电位器U1－Un全部采用单电源+VCC供电。
以数字电位器分流支路1为例，数字电位器U1中包括可调电阻RW1，RW1的一端与基准电阻RP1串联，另外一端连接至取样电压输出端V1；RP1的另外一端连接至分流输出端G。
单片机控制单元如图3所示。
单片机控制单元在单片机最小系统的基础上，还必须包括有n个模拟信号输入端A1－An、n个电平控制输出端OUT1－OUTn和SPI串行接口。所述SPI串行接口包括时钟信号输出端CLK、数据信号输出端SIMO。
数字电位器分流支路1－n的取样电压输出端V1－Vn分别连接至单片机控制单元的模拟信号输入端A1－An，数字电位器分流支路1－n的片选控制端CS1－CSn分别连接至单片机控制单元的电平控制输出端OUT1－OUTn。所有n个数字电位器U1－Un的时钟信号输入端SCK并联后连接至单片机控制单元中SPI串行接口的时钟信号输出端CLK，所有数据信号输入端SI并联后连接至单片机控制单元中SPI串行接口的数据信号输出端SIMO。单片机控制单元的供电电源为+VCC。
单片机选择MSP4302553时，单片机控制单元原理图如图4所示。
图4中，单片机最小系统由单片机MSP4302553和晶体振荡器XT组成。MSP4302553中SPI串行接口的时钟信号输出端CLK、数据信号输出端SIMO、数据信号输入端SOMI分别为单片机端P1.5、P1.7、P1.6，因此，MSP4302553的P1.0－P1.4可以作为模拟信号输入端使用，即MSP4302553在使用SPI的情况下，还剩余最多5路模拟信号输入端。图4中n = 5，MSP4302553的P1.0－P1.4分别作为图3的模拟信号输入端A1－A5，P1.5、P1.7分别作为图3的时钟信号输出端CLK、数据信号输出端SIMO，P2.1－P2.5分别作为图3的电平控制输出端OUT1－OUT5。MSP4302553的供电电源为+VCC。
电流平均值放大变送单元如图5所示，由电流变送器U01和三极管V01、电容C01组成。电流变送器U01选择XTR115。三极管V01的集电极、基极、发射极分别连接至电流变送器U01的电源端U+、基极端B、发射极端E；电容C01的一端连接至电流变送器U01的电源端U+，另外一端连接至电流变送器U01的变送电流输出端Iout。
电流变送器U01的电流输入端Iin为变送电流输入端，IRET为变送电流返回端；电流变送器U01的变送电流输出端Iout和电源端U+共同组成平均值电流变送输出端IOUT。电流变送器U01的变送电流返回端IRET连接至公共地，变送电流输入端Iin为虚地端。
上述自适应变送器电流平均值装置的工作原理是：
数字电位器U1－Un均具有断开电阻电路的关断功能。
电流输入端接入的输入电流有效范围是4－20mA。输入电流Ii流经取样电阻Ri转换为取样电压Vi，单片机控制单元根据取样电压V1－Vn的大小，确定输入电流I1－In中，哪些输入电流处于4－20mA有效范围之内。
在n个电流输入端中，设有p个输入端接入了变送器电流环路且输入电流在4－20mA范围之内，p为大于等于1、小于等于n的整数。设IΣ为该p个输入电流值之和，则电流平均值放大变送单元输出的平均值电流为该p个输入电流的平均值，即
               。
电流平均值放大变送单元对输入电流放大后再变送输出，即
 
式中，k是电流平均值放大变送单元的电流放大倍数，ISUM为数字电位器电流平均值单元的分流输出端电流。有
    ；
因此，数字电位器分流支路的分流比例是 。
单片机控制单元控制该p条数字电位器分流支路中相应的数字电位器阻值，使分流比例为 ；控制另外的（n－p）条数字电位器分流支路的数字电位器断开其电阻电路，不对其输入电流进行分流。
电流平均值放大变送单元的分流输出端连接至了变送电流输入端，变送电流输入端为虚地端，与公共地为等电位点。各条数字电位器分流支路的分流电流在变送电流输入端相加，实现电流平均值的计算。
设取样电阻阻值为R，R的取值范围在50Ω－200Ω。数字电位器分流支路1－n的结构与参数一致，则其电阻参数有
      （1）
式中，RW0为数字电位器的抽头电阻；k为电流平均值放大变送单元的电流放大倍数，图5所示电路的k = 100。
当在n个电流输入端中，没有输入端输入电流在4-20mA范围之内时，单片机控制单元控制所有的数字电位器U1－Un断开电阻电路，即所有数字电位器分流支路全部开路， ISUM等于0。电阻R0的作用是降低此时变送电流输入端的输入阻抗。由于变送电流输入端为虚地端，所以电阻R0上没有电流流过。
选择取样电阻阻值R时，需要兼顾数字电位器的阻值和抽头数。
基准电阻RPi为固定值。设p = 1时，数字电位器的抽头位置m = 0，电阻RWi = 0，且有k = 100，则
           （2）
即RPi随着p 的值，以100·R的步进值变化。数字电位器U1－Un全部选择MCP41100，其阻值为100kΩ，有256个抽头，单位抽头的阻值变化是390.625Ω，抽头电阻RW0阻值是125Ω。
选择100·R的步进值为MCP41100相差24抽头的阻值，则取样电阻阻值
基准电阻RPi阻值为
数字电位器抽头位置m与p的关系为
当选择p = 1，数字电位器的抽头位置为m = q，且q为大于大于0，小于等于23的固定值时，有
            （3）   。
 单片机控制单元的控制流程如图6所示，其步骤是：
A、初始化，控制所有的数字电位器U1－Un断开电阻电路；
B、启动A/D转换，获取取样电压V1－Vn值；
C、取样电压V1－Vn值转换为输入电流I1－In值，转换方法是，当数字电位器Ui被断开电阻电路时，
   ；
当数字电位器Ui没有被断开电阻电路时，
  ；
D、判别确定输入电流I1－In在4－20mA范围之内的数字电位器分流支路，记其数量为p ；
E、控制p条输入电流在4－20mA范围之内的数字电位器分流支路中的数字电位器阻值，使数字电位器分流支路的分流比例是；控制（n－p）条输入电流不在4－20mA范围之内的数字电位器分流支路中的数字电位器断开电阻电路；
F、返回步骤B。
在n个电流输入端中，可以任意选择其中的任意个接入需要计算平均值的变送器电流环路；已经接入的变送器电流环路中，有p个电流输入端的输入电流处于正常的4－20mA范围之内时，所述电流平均值装置具有自动判断与自适应功能，电流变送电路输出的平均值电流IOUT为该p个电流输入端输入电流的平均值。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种自适应变送器电流平均值装置，其特征在于：
由数字电位器电流平均值单元、单片机控制单元、电流平均值放大变送单元组成；
所述数字电位器电流平均值单元包括n条结构与参数相同的数字电位器分流支路1－n，n为大于等于2的整数；每条数字电位器分流支路设有1个电流输入端，每个电流输入端都可以接入1个变送器电流环路；所述数字电位器电流平均值单元还设有分流输出端；
所述数字电位器电流平均值单元还包括电阻R0；电阻R0的两端分别连接至分流输出端和公共地；
设i为大于等于1、小于等于n的整数，数字电位器分流支路i设有电流输入端Ii和取样电压输出端Vi；
所述数字电位器分流支路i由取样电阻Ri、数字电位器Ui以及基准电阻RPi组成；所述取样电阻Ri串联在输入电流Ii回路中，其输入电流Ii流出端连接至公共地；取样电阻Ri的输入电流Ii流入端设为取样电压输出端Vi；所述数字电位器Ui包括有1个可调电阻RWi；所述可调电阻RWi与基准电阻RPi的串联电路两端分别连接至取样电压输出端Vi和分流输出端；所述数字电位器Ui还包括有片选控制端CSi、时钟信号输入端SCK、数据信号输入端SI；
所述单片机控制单元包括单片机最小系统，还包括n个模拟信号输入端A1－An、n个电平控制输出端OUT1－OUTn和SPI串行接口；所述SPI串行接口包括时钟信号输出端CLK、数据信号输出端SIMO；
所述数字电位器分流支路1－n的取样电压输出端V1－Vn分别连接至单片机控制单元的模拟信号输入端A1－An；所述数字电位器分流支路1－n的片选控制端CS1－CSn分别连接至单片机控制单元的电平控制输出端OUT1－OUTn；所述数字电位器U1－Un的时钟信号输入端SCK并联后连接至单片机控制单元中SPI串行接口的时钟信号输出端CLK；所述数字电位器U1－Un的数据信号输入端SI并联后连接至单片机控制单元中SPI串行接口的数据信号输出端SIMO；
所述电流平均值放大变送单元设有变送电流输入端、变送电流返回端和平均值电流变送输出端；所述变送电流返回端连接至公共地；所述变送电流输入端连接至数字电位器电流平均值单元的分流输出端；所述变送电流输入端为虚地端。
2.如权利要求1所述的自适应变送器电流平均值装置，其特征在于：所述数字电位器U1－Un均选择MCP41100。
3.如权利要求1所述的自适应变送器电流平均值装置，其特征在于：所述单片机控制单元的单片机选择MSP430G2553。
4.如权利要求3所述的自适应变送器电流平均值装置，其特征在于：最多有5个电流输入端。
5.如权利要求1所述的自适应变送器电流平均值装置，其特征在于：所述电流平均值放大变送单元由电流变送器和三极管V01、电容C01组成；所述电流变送器为XTR115。
6.由权利要求1－5任一项所述装置实现的自适应变送器电流平均值控制方法，其特征在于：
所述数字电位器U1－Un均具有断开电阻电路的关断功能；
设取样电阻阻值为R，电流平均值放大变送单元的电流放大倍数为k，数字电位器U1－Un的抽头电阻值为RW0，输入电流I1－In在4－20mA范围之内的数字电位器分流支路数量为p，p为大于等于1、小于等于n的整数；所述数字电位器分流支路1－n的电阻参数满足
                                                   ；
所述单片机控制单元的控制步骤是：
A、初始化，控制所有的数字电位器U1－Un断开电阻电路；
B、启动A/D转换，获取取样电压V1－Vn值；
C、取样电压V1－Vn值转换为输入电流I1－In值，转换方法是，当数字电位器Ui被断开电阻电路时，
     ；
当数字电位器Ui没有被断开电阻电路时，
 ；
D、判别确定输入电流I1－In在4－20mA范围之内的数字电位器分流支路，记其数量为p ；
E、控制p条输入电流在4－20mA范围之内的数字电位器分流支路中的数字电位器阻值，使数字电位器分流支路的分流比例是 ；控制（n－p）条输入电流不在4－20mA范围之内的数字电位器分流支路中的数字电位器断开电阻电路；
F、返回步骤B。
7.如权利要求6所述的自适应变送器电流平均值控制方法，其特征在于：所述取样电阻阻值R = 93.75Ω 。
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