CN109116095A - 一种数字变送器 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及传感器设备技术领域，且公开了一种数字变送器，包括电流采集模块、单片机模块、基准源电路、第一电源模块、第二电源模块和USB接口，所述第一电源模块和第二电源模块均通过USB接口由外部供电，所述第一电源模块为单片机模块数字电路部分供电，所述第二电源模块为单片机模块模拟电路部分供电，所述第二电源模块为基准源电路供电，所述电流采集模块有2个输出端，一个输出端与单片机模块相连，另一个输出端与基准源电路相连，所述单片机模块通过USB接口与外部进行输出传输。本发明专利直接将采集的电流信号输出为数字信号，便于用户使用。

Description

一种数字变送器

技术领域

本发明专利涉及传感器技术领域，具体为一种数字变送器。

背景技术

电磁式电流互感器是利用电磁感应原理实现交流大电流到小电流的隔离和线性转换的器件，广泛应用于供配电系统、仪器仪表系统、各类自动化控制系统以及各种过载、漏电安全保护装置。电磁式电流互感器输出的是交流电流信号，可以通过改变匝比改变输出电流的大小，以满足测量和控制的需要。但在实际应用中测量与控制电路所需要的基本都是直流电压信号，不可避免地都需要对互感器的输出信号进行处理。

将互感器输出的交流电流信号转换成直流电压信号，通常的最佳方案是先将交流电流整流成脉动直流电流，然后通过负载电阻转换成脉动直流电压，最后通过滤波电路使其成为近似的直流电压。这种经典电路效果并不理想，存在一些难以克服的缺点。二极管的非线性，二极管压降对互感器驱动能力的要求都是问题；滤波电路的响应时间也会带来左右为难的问题，时间常数取大一些影响系统的响应速度，取小一点则纹波变大影响测量与控制的准确性；而且整流滤波电路输出的电压信号无驱动能力，只能连接高输入阻抗电路。否则整流滤波电路输出的电压信号会受次级电路输入阻抗的影响而发生变化。

互感器的应用电路虽不复杂，但由于许多用户不了解电流互感器的特性，实际使用的电路要么不尽合理，要么器件参数选择不当，从而导致在很多应用场合，互感器的实际性能无法得到发挥，甚至误以为互感器损坏。

发明专利内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明专利提供了一种数字变送器，将电流互感器和信号处理的电路集成在一块，将电流信号经过处理转化，直接以数字信号的形式输出，方便用户使用。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明专利提供如下技术方案：一种数字变送器，包括电流采集模块、单片机模块、基准源电路、第一电源模块、第二电源模块和USB接口，所述第一电源模块和第二电源模块均通过USB接口由外部供电，所述第一电源模块为单片机模块数字电路部分供电，所述第二电源模块为单片机模块模拟电路部分供电，所述第二电源模块为基准源电路供电，所述电流采集模块有2个输出端，一个输出端与单片机模块相连，另一个输出端与基准源电路相连，所述单片机模块通过USB接口与外部进行输出传输。

优选的，所述第一电源模块和第二电源模块所采用的稳压芯片型号均为LD3985M33R，输出电压均为3.3V。

优选的，所述单片机模块包括单片机芯片，所述单片机芯片型号为STM32F042。

优选的，所述电流采集模块包括电流互感器和第一电阻，所述电流互感器一端与第一电阻一端相连，所述电流互感器另一端与第一电阻另一端相连，所述第一电阻一端与单片机芯片第6引脚相连。

优选的，所述基准源电路包括电压基准芯片、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述电压基准芯片型号为AZ432，所述第二电阻一端和第四电阻一端均与电压基准芯片CATHODE端相连，所述第二电阻另一端和第三电阻一端与电压基准芯片的REF端相连，所述电压基准芯片ANODE端和第三电阻另一端均接地，所述第四电阻另一端接第二电源模块输出端，所述第二电源模块为基准源电路供电，所述电压基准芯片CATHODE端与第一电阻另一端相连。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明专利提供了一种数字变送器，具备以下有益效果：

1、该数字变送器所采用的是数字整流方式，是真正意义上的线性精密整流，它完全没有二极管非线性对整流的影响，也没有二极管0.7V启动电压对互感器输出信号转换直流必须有大于0.7V驱动能力的要求，数字整流可以应用于驱动能力很小的微型传感器，数字化处理的最小信号就是A/D转换器的分辨率，精确度高；

2、该数字变送器所采用的是数字滤波方式，数字滤波可以实现无延迟同步输出，R、L、C构成的滤波电路无一例外都需要有响应时间，输出信号必有延迟，而且存在无法克服的自身矛盾，要想提高滤波效果必然增加延迟时间，数字滤波是一种算法，完成一次计算所需要的时间相对于R、L、C滤波所需要的时间可以忽略不计；

3、该数字变送器可以输出电流的有效值、最大值、平均值和频率，并根据不同客户的要求进行设置；使用了标准化USB端口和信号输出格式，这很方便信息交换和不同用户之间的信息沟通；

4、该数字变送器突出优势是数字化之后信息可以借助网络，实现无限距离的远传，对于传感器输出的模拟信号这绝对是无法想象的。

附图说明

图1为本发明专利原理框图；

图2为本发明专利总电路图；

图3为本发明专利电流采集模块电路图；

图4为本发明专利单片机模块电路图；

图5为本发明专利基准源电路图；

图6为本发明专利第一电源模块电路图；

图7为本发明专利第二电源模块电路图；

图8为本发明专利软件框图。

图中：R1、第一电阻，R2、第二电阻，R3、第三电阻，R4、第四电阻，U1、单片机芯片，U2、U3、电源芯片，U4、电压基准芯片，J2、USB接口。

具体实施方式

下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

请参阅图1-7，一种数字变送器，包括电流采集模块、单片机模块、基准源电路、第一电源模块、第二电源模块和USB接口，第一电源模块和第二电源模块均通过USB接口由外部供电，单片机模块数字电路部分和模拟电路部分分开供电，第一电源模块为单片机模块数字电路部分供电，第二电源模块为单片机模块模拟电路部分供电，第二电源模块为基准源电路供电，电流采集模块有2个输出端，一个输出端与单片机模块相连，另一个输出端与基准源电路相连，单片机模块通过USB接口与外部进行信号传输。

第一电源模块和第二电源模块所采用的稳压芯片型号均为LD3985M33R，输出电压均为3.3V。单片机模块包括单片机芯片，单片机芯片型号为STM32F042。电流采集模块包括电流互感器和第一电阻，电流互感器一端与第一电阻一端相连，电流互感器另一端与第一电阻另一端相连，第一电阻一端与单片机芯片第6引脚相连。基准源电路包括电压基准芯片、第二电阻、第三电阻和第四电阻，电压基准芯片型号为AZ432，第二电阻一端和第四电阻一端均与电压基准芯片CATHODE端相连，第二电阻另一端和第三电阻一端与电压基准芯片REF端相连，所述电压基准芯片ANODE端和第三电阻另一端均接地，第四电阻另一端接第二电源模块输出端，第二电源模块为基准源电路供电，第二电阻阻值为1.6KΩ，第三电阻阻值为10KΩ，通过计算可以得出，电压基准芯片CATHODE端电压为1.65V，电压基准芯片CATHODE端与第一电阻另一端相连。

在该数字变送器设计时，电流采集模块部分通过调整电流互感器匝比和改变第一电阻的阻值，将第一电阻两端的电压调整到最大有效值1V，也就是峰峰值为2.828V，便于单片机芯片处理，我们这里以电流互感器匝数比为1000:1，额定电流为1A，采用的第一电阻阻值为1KΩ为例。

工作原理：电流采集模块用以采集电流信号，将电流信号转化为电压信号，基准源电路将第一电阻另一端电压变为1.65V，使第一电阻一端电压变为正电压，单片机芯片第6引脚为A/D转换输入引脚，单片机芯片将第一电阻一端的电压信号转化为数字信号，经过算法处理后，通过USB端口输出。

该数字变送器采用的单片机芯片采用的是12位的A/D转换器，满量程输出为4095字，下面我们以采样频率为50K,采集的电流频率为50HZ为例，具体说明下单片机芯片对第一电阻一端的电压信号转化的数字信号进行处理的算法，其具体步骤如下：

第一步，采集信号，单片机芯片通过20μS采样一次，采集电压信号；

第二步，恢复交流信号，去除A/D转换之前加入的直流电压分量，也就是去除第一电阻另一端处的1.65V的电压分量，即每个A/D转换得到的数据都减去1.65V对应的数字2048；

第三步，数字整流，对全部数据取绝对值，将所有负值变为正值；

第四步，数字滤波，数字滤波的目的是要准确算出数字整流之后形成的脉动信号的平均值，实现精密滤波，我们暂且确定A/D转换的采样频率为50KHZ，也就是每20μS采样一次，采样时间为100ms，实现求均值的取样区间与交流电的周期应严格同步，这是高精度数字滤波的关键，我们这里采用的是控制采样区间的起始点与结束点的方法，我们知道数字整流之后得到的是一个脉动直流信号，这个脉动直流信号每隔10ms会有一次理论上的零点，A/D转换的实际结果可能不是零，而是一个接近零的小数字，设定一个界限，将小数字也看做零即可，我们以此零点为参照决定采样区间的起始与结束，按照前面的约定100ms完成一次模数转换，我们取交流电整流后的脉动信号的10个周期，这样连头带尾应有11个零点，我们只需从一个零点开始到第11个零点结束，将这个区间之内的采样值相加平均即可，这个区间的时长一般不会是精准的100ms，采样点数也不会是准确的5000次，但对被测信号来说这实现了准确的整周期采样，从而就可以实现精密数字滤波；

第五步，对数字滤波后的数字信号进行计算，算出交流电流的有效值、最大值、平均值和频率。

需要说明的是，本发明用到的数字整流技术、数字滤波技术和电流相关值得计算方法均为现有技术，本发明是对这些方法进行应用，本发明所要保护的是数字变送器的电路图；在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明专利的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明专利的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明专利的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种数字变送器，其特征在于，包括电流采集模块、单片机模块、基准源电路、第一电源模块、第二电源模块和USB接口，所述第一电源模块和第二电源模块均通过USB接口由外部供电，所述第一电源模块为单片机模块数字电路部分供电，所述第二电源模块为单片机模块模拟电路部分供电，所述第二电源模块为基准源电路供电，所述电流采集模块有2个输出端，一个输出端与单片机模块相连，另一个输出端与基准源电路相连，所述单片机模块通过USB接口与外部进行输出传输。

2.根据权利要求1所述的一种数字变送器，其特征在于：所述第一电源模块和第二电源模块所采用的稳压芯片型号均为LD3985M33R，输出电压均为3.3V。

3.根据权利要求1所述的一种数字变送器，其特征在于：所述单片机模块包括单片机芯片，所述单片机芯片型号为STM32F042。

4.根据权利要求3所述的一种数字变送器，其特征在于：所述电流采集模块包括电流互感器和第一电阻，所述电流互感器一端与第一电阻一端相连，所述电流互感器另一端与第一电阻另一端相连，所述第一电阻一端与单片机芯片第6引脚相连。

5.根据权利要求4所述的一种数字变送器，其特征在于：所述基准源电路包括电压基准芯片、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述电压基准芯片型号为AZ432，所述第二电阻一端和第四电阻一端均与电压基准芯片CATHODE端相连，所述第二电阻另一端和第三电阻一端与电压基准芯片的REF端相连，所述电压基准芯片ANODE端和第三电阻另一端均接地，所述第四电阻另一端接第二电源模块输出端，所述第二电源模块为基准源电路供电，所述电压基准芯片CATHODE端与第一电阻另一端相连。