CN109194312A - 基于pwm信号实现标准信号输出值的校正系统及其方法 - Google Patents

基于pwm信号实现标准信号输出值的校正系统及其方法 Download PDF

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Abstract

基于PWM信号实现标准信号输出值的校正系统及其方法，该校正系统包括MCU、低通滤波器、信号调理电路，MCU与低通滤波器相连，低通滤波器与信号调理电路相连，还包括校正模块，信号调理电路与校正模块相连，校正模块与MCU相连，校正模块包括UOUT1/UOUT2测量模块和aZERO/aFULL计算模块，所述信号调理电路与UOUT1/UOUT2测量模块相连，UOUT1/UOUT2测量模块与aZERO/aFULL计算模块相连，aZERO/aFULL计算模块与MCU相连。本发明通过修改PWM信号的占空比来实现对电路的标准信号输出值的校正，成本较低，电路板占用面积小。

Description

基于PWM信号实现标准信号输出值的校正系统及其方法
技术领域
本发明涉及标准信号输出值的校正系统及其方法，具体是涉及一种基于PWM信号实现标准信号输出值的校正系统及其方法。
背景技术
PWM即脉冲宽度调制，实质上是一种周期固定，而占空比可调的方波信号。标准信号是指物理量的形式和数值范围都符合国际标准(IEC 60381：过程控制系统用模拟信号)的信号值，一般分为电信号和气信号两类，标准电信号即直流4～20mA的电流信号，直流1～5V的电压信号。
参照图1，在一些受限于成本的硬件电路设计方案中，选用的MCU(微控制器)没有DAC模块(DAC即数字模拟转换器，是一种将数字信号转换为模拟信号的设备)，为了实现数字信号到标准模拟信号的转换，常采用MCU先输出PWM信号，然后再经过滤波电路以后获得模拟信号的方式来实现标准信号的输出。由于此时PWM信号的高电平的电压值UHIGH和低电平的电压值ULOW会受到MCU输出高低电平电压值变化(由MCU的个体差异和MCU供电电压的差异等原因造成)的影响，会降低输出的标准信号的精度，因此一般会先使用PWM整形电路整形，再经过滤波电路(低通滤波器)滤波，得到模拟的PWM电压信号UPWM，经信号调理电路输出标准信号。
在一些类似电路设计中的PWM信号整形电路，一般由稳压电源和光耦等器件组成，这些器件的增加会造成电路成本和电路板面积的增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种成本较低，电路板占用面积小的基于PWM信号实现标准信号输出值的校正系统及其方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于PWM信号实现标准信号输出值的校正系统，包括MCU、低通滤波器、信号调理电路，MCU与低通滤波器相连，低通滤波器与信号调理电路相连，还包括校正模块，信号调理电路与校正模块相连，校正模块与MCU相连，校正模块包括UOUT1/UOUT2测量模块和aZERO/aFULL计算模块，所述信号调理电路与UOUT1/UOUT2测量模块相连，UOUT1/UOUT2测量模块与aZERO/aFULL计算模块相连，aZERO/aFULL计算模块与MCU相连；
所述UOUT1/UOUT2测量模块用于测量当PWM信号的占空比为a1时所对应的标准信号的输出值UOUT1和测量当PWM信号的占空比为a2时所对应的标准信号的输出值UOUT2；
所述aZERO/aFULL计算模块用于计算输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO和计算输出标准信号满量程值时对应的占空比aFULL，并将占空比aZERO和占空比aFULL写入MCU中。
一种基于PWM信号实现标准信号输出值的校正方法，包括以下步骤：
(1)调节PWM信号的占空比为a1，测量当PWM信号的占空比为a1时所对应的标准信号的输出值UOUT1；
(2)调节PWM信号的占空比为a2，测量当PWM信号的占空比为a2时所对应的标准信号的输出值UOUT2；
(3)计算输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO和输出标准信号满量程值时对应的PWM信号的占空比aFULL；
(4)当标准信号输出为UOUT时，控制PWM信号的占空比为a。
进一步，步骤(3)中，计算输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO和输出标准信号满量程值时对应的PWM信号的占空比aFULL的方法如下：
UPWM＝a×(UHIGH-ULOW)+ULOW 式1；
UOUT＝kUPWM 式2；
将式1代入式2中，得到式3；
UOUT＝k[a×(UHIGH-ULOW)+ULOW] 式3；
式中：UPWM表示PWM信号经过滤波电路后得到的模拟电压信号；UHIGH表示PWM信号的高电平电压值；ULOW表示PWM信号的低电平电压值；a表示PWM信号的占空比，取值范围0-1；UOUT表示标准信号；k表示信号调理电路的调整系数；
当占空比为a1时，标准信号为UOUT1，
UOUT1＝k[a1×(UHIGH-ULOW)+ULOW] 式4；
当占空比为a2时，标准信号为UOUT2，
UOUT2＝k[a2×(UHIGH-ULOW)+ULOW] 式5；
联立式4、式5，求得k(UHIGH-ULOW)，
联立式4、式5、式6，求得kULOW；
求得输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO，
式中，UZERO为标准信号的零点输出值；
求得输出标准信号满量程值时对应的aFULL，
式中，UFULL为标准信号的满量程输出值。
进一步，步骤(4)中，当标准信号输出为UOUT时，PWM信号的占空比
进一步，所述UOUT1、UOUT2、UZERO和UFULL为电压值，UZERO取值为1V，UFULL取值为5V。
进一步，所述UOUT1、UOUT2、UZERO和UFULL为电流值，UZERO取值为4mA，UFULL取值为20mA。
本发明的原理如下：
由于不采用PWM信号整形电路，PWM信号的高电平电压值UHIGH和低电平电压值ULOW存在不确定性，因此对于每一块电路板都需进行校正，特别是ULOW不等于0V，这进一步增加了电路校正的复杂度。
PWM信号经过滤波电路后得到模拟电压信号UPWM，其电压值由UPWM＝a×(UHIGH-ULOW)+ULOW≈aUHIGH可计算得出，在信号调理电路中只需调整电路参数，即调节UOUT＝kUPWM≈kaUHIGH中的k值，或者调节PWM信号的占空比a值，并且输出标准信号零点值时对应的占空比与输出满量程值时对应的占空比保持1:5的比例关系，即可完成标准信号的零点和满量程值的校正，从而获得标准信号UOUT，UOUT为4～20mA的电流信号或者为1～5V的电压信号，其值按公式UOUT＝kUPWM≈kaUHIGH计算得出，由此可知，调节PWM信号的占空比即可调节标准信号的输出值。
为了满足一些成本非常敏感或者电路板面积受限的应用场合，本发明提出一种在不采用PWM信号整形电路的基础上，通过修改PWM信号的占空比来实现对电路的标准信号输出值的校正，从而使电路能满足设计要求而不用增加额外的元器件。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
通过修改PWM信号的占空比来实现对电路的标准信号输出值的校正，成本较低，电路板占用面积小。
附图说明
图1是现有技术中标准信号输出值的校正系统的结构框图。
图2是本发明实施例之基于PWM信号实现标准信号输出值的校正系统的结构框图。
图3是图2所示实施例的校正模块的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
参照图2，本实施例之基于PWM信号实现标准信号输出值的校正系统包括MCU、低通滤波器、信号调理电路和校正模块，MCU与低通滤波器相连，低通滤波器与信号调理电路相连，信号调理电路与校正模块相连，校正模块与MCU相连。
参照图3，校正模块包括UOUT1/UOUT2测量模块和aZERO/aFULL计算模块，信号调理电路与UOUT1/UOUT2测量模块相连，UOUT1/UOUT2测量模块与aZERO/aFULL计算模块相连，aZERO/aFULL计算模块与MCU相连。
UOUT1/UOUT2测量模块用于测量当PWM信号的占空比为a1时所对应的标准信号的输出值UOUT1和测量当PWM信号的占空比为a2时所对应的标准信号的输出值UOUT2。
aZERO/aFULL计算模块用于计算输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO和计算输出标准信号满量程值时对应的占空比aFULL，并将占空比aZERO和占空比aFULL写入MCU中。
工作过程如下：MCU输出PWM信号，PWM信号经过经低通滤波器滤波后得到的模拟电压信号UPWM，模拟电压信号UPWM经信号调理电路后输出UOUT标准信号，UOUT标准信号的值通过以下方法调节校正：校正模块通过串口往MCU中发送命令，调节PWM信号的占空比为a1；校正模块测量当PWM信号的占空比为a1时所对应的标准信号的输出值UOUT1，UOUT1可为电压值或电流值；校正模块通过串口往MCU中发送命令，调节PWM信号的占空比为a2；校正模块测量当PWM信号的占空比为a2时所对应的标准信号的输出值UOUT2，UOUT2可为电压值或电流值；校正模块计算输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO和输出标准信号满量程值时对应的PWM信号的占空比aFULL；校正模块通过串口将aZERO和aFULL写入MCU中；MCU控制PWM信号的占空比为a'，即可实现标准信号输出值UOUT的调节。
本实施例之基于PWM信号实现标准信号输出值的校正方法，包括以下步骤：
(1)调节PWM信号的占空比为a1，测量当PWM信号的占空比为a1时所对应的标准信号的输出值UOUT1，UOUT1为电压值或电流值。
(2)调节PWM信号的占空比为a2，测量当PWM信号的占空比为a2时所对应的标准信号的输出值UOUT2，UOUT2为电压值或电流值。
(3)计算输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO和输出标准信号满量程值时对应的PWM信号的占空比aFULL，具体方法如下：
UPWM＝a×(UHIGH-ULOW)+ULOW 式1；
UOUT＝kUPWM 式2；
将式1代入式2中，得到式3；
UOUT＝k[a×(UHIGH-ULOW)+ULOW] 式3；
式中：UPWM表示PWM信号经过滤波电路(低通滤波器)后得到的模拟电压信号；UHIGH表示PWM信号的高电平电压值；ULOW表示PWM信号的低电平电压值；a表示PWM信号的占空比，取值范围0-1；UOUT表示标准信号；k表示信号调理电路的调整系数，k取值1.25或5；本发明中在校正标准信号输出之前取一个合适的固定值即可，不通过调节k值来校正电路输出。
当占空比为a1时，标准信号为UOUT1，
UOUT1＝k[a1×(UHIGH-ULOW)+ULOW] 式4；
当占空比为a2时，标准信号为UOUT2，
UOUT2＝k[a2×(UHIGH-ULOW)+ULOW] 式5；
联立式4、式5，求得k(UHIGH-ULOW)，
联立式4、式5、式6，求得kULOW；
求得输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO，
式中，UZERO为标准信号的零点输出值，可为电压值或电流值，取值4mA或者1V(IEC60381下的标准值)；
求得输出标准信号满量程值时对应的aFULL，
式中，UFULL为标准信号的满量程输出值，可为电压值或电流值，取值20mA或者5V(IEC 60381下的标准值)。
信号调理电路的调整系数k取值根据UPWM的输出值和UOUT来选择，例如当UPWM的输出为0.8～4V时，如果UOUT要求输出1～5V，则k＝1.25，如果UOUT要求输出4～20mA，则k＝5。
(4)当标准信号输出为UOUT时，控制PWM信号的占空比为a，
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于PWM信号实现标准信号输出值的校正系统，包括MCU、低通滤波器、信号调理电路，MCU与低通滤波器相连，低通滤波器与信号调理电路相连，其特征在于：还包括校正模块，信号调理电路与校正模块相连，校正模块与MCU相连，校正模块包括UOUT1/UOUT2测量模块和aZERO/aFULL计算模块，所述信号调理电路与UOUT1/UOUT2测量模块相连，UOUT1/UOUT2测量模块与aZERO/aFULL计算模块相连，aZERO/aFULL计算模块与MCU相连；
所述UOUT1/UOUT2测量模块用于测量当PWM信号的占空比为a1时所对应的标准信号的输出值UOUT1和测量当PWM信号的占空比为a2时所对应的标准信号的输出值UOUT2；
所述aZERO/aFULL计算模块用于计算输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO和计算输出标准信号满量程值时对应的占空比aFULL，并将占空比aZERO和占空比aFULL写入MCU中。
2.一种基于PWM信号实现标准信号输出值的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)调节PWM信号的占空比为a1，测量当PWM信号的占空比为a1时所对应的标准信号的输出值UOUT1；
(2)调节PWM信号的占空比为a2，测量当PWM信号的占空比为a2时所对应的标准信号的输出值UOUT2；
(3)计算输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO和输出标准信号满量程值时对应的PWM信号的占空比aFULL；
(4)当标准信号输出为UOUT时，控制PWM信号的占空比为a。
3.如权利要求2所述的基于PWM信号实现标准信号输出值的校正方法，其特征在于：步骤(3)中，计算输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO和输出标准信号满量程值时对应的PWM信号的占空比aFULL的方法如下：
UPWM＝a×(UHIGH-ULOW)+ULOW式1；
UOUT＝kUPWM式2；
将式1代入式2中，得到式3；
UOUT＝k[a×(UHIGH-ULOW)+ULOW]式3；
式中：UPWM表示PWM信号经过滤波电路后得到的模拟电压信号；UHIGH表示PWM信号的高电平电压值；ULOW表示PWM信号的低电平电压值；a表示PWM信号的占空比，取值范围0-1；UOUT表示标准信号；k表示信号调理电路的调整系数；
当占空比为a1时，标准信号为UOUT1，
UOUT1＝k[a1×(UHIGH-ULOW)+ULOW]式4；
当占空比为a2时，标准信号为UOUT2，
UOUT2＝k[a2×(UHIGH-ULOW)+ULOW]式5；
联立式4、式5，求得k(UHIGH-ULOW)，
联立式4、式5、式6，求得kULOW；
求得输出标准信号零点值时对应的PWM信号的占空比aZERO，
式中，UZERO为标准信号的零点输出值；
求得输出标准信号满量程值时对应的aFULL，
式中，UFULL为标准信号的满量程输出值。
4.如权利要求3所述的基于PWM信号实现标准信号输出值的校正方法，其特征在于：步骤(4)中，当标准信号输出为UOUT时，PWM信号的占空比
5.如权利要求3所述的基于PWM信号实现标准信号输出值的校正方法，其特征在于：所述UOUT1、UOUT2、UZERO和UFULL为电压值，UZERO取值为1V，UFULL取值为5V。
6.如权利要求3所述的基于PWM信号实现标准信号输出值的校正方法，其特征在于：所述UOUT1、UOUT2、UZERO和UFULL为电流值，UZERO取值为4mA，UFULL取值为20mA。
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