CN1544887A - 带指针指示的数字式显示记录仪 - Google Patents

Abstract

带指针指示的数字式显示记录仪，属于自动化仪表、显示记录仪，解决既要准确显示、记录参数大小变化，又要正确反映参数变化趋势，便于直观了解的问题。本发明包括电信号连接的信号调理电路、A/D转换电路、信号处理器、D/A转换电路、前端放大单元、光电隔离单元、功率放大单元、交流伺服电机；交流伺服电机带动光电码盘和指针旋转；光电码盘输出经脉冲处理电路和可逆计数电路送入信号处理器、构成反馈回路。本发明能够接受电压、电流、热电偶、热电阻等多种形式信号输入，同时具有数字显示记录和多圈模拟指针指示两种显示方式，还可以通过通信接口将数据实时传送给上位机，满足了生产和用户需求。

Description

带指针指示的数字式显示记录仪

技术领域

本发明属于自动化仪表、显示记录仪，特别涉及一种测量、显示和记录各种工业参数的自动化装置。

背景技术

在当今工业生产工程自动化系统中，使用的显示记录仪表有模拟显示记录和数字显示记录两种类型。

1、模拟显示记录仪表

利用物理参量变化的相似性，人们将一些不能直接或不能精确的直接感受的物理量(如温度、压力、流量、磁场等)，用人们易于精确观察的物理量(如线位移、角位移或其他形式)来表示。模拟显示仪表就是利用这样的原理制成的。模拟显示仪表历史悠久，其原理、结构、元器件及制造工艺等均已相当成熟，在过程检测及实验研究领域内都能满足一定的精度要求，功能又比较齐全，附加一些装置，可以实现指示、调节、记录、报警和其它多项功能。特别是通过指针移动能连续、直观的反映被测信息的变化趋势。

目前模拟显示记录仪表分为动圈式和电子自动平衡式两种。

动圈式显示仪表是利用固定的永久磁铁对通电线圈所产生的作用力(矩)和支承机构的反作用力(矩)的相互作用而工作的一种磁电系仪表。其测量机构由固定部分和可动部分组成。作为仪表固定部分的是由磁钢、软铁芯组成的磁路系统；可动部分则是由张丝及其支承的动圈和指针等部件组成，通常称之为张丝弹片支承系统，或简称张丝支承系统。当被测信号电流通过张丝流经动圈时，动圈受到磁场力矩的作用而偏转。动圈在受力偏转的同时，扭转了张丝，张丝则产生反作用力矩以反抗动圈的转动。反作用力矩的大小取决于张丝的扭转程度。当两力平衡时，动圈就在某一平衡位置稳定下来，此时动圈偏转角度的的大小就和被测信号电流的大小成比例。通过使用各种形式的变送器以及对变送器信号进行一定的转换，就可以用来测量和显示各种工业参数。但是动圈式显示仪表本身没有记录功能。

电子自动平衡式显示记录仪表是一种闭环仪表，是采用电压自动补偿的原理，自动测量和显示记录各种电参数的仪表。目前生产的自动平衡式显示仪表，主要是采用电阻位置反馈的方法来实现电压补偿的。按照测量桥路的构成，可以将自动平衡式显示记录仪表分为电子电位差计和自动平衡电桥两种基本类型。电位差计用于测量电压和电流信号，而平衡电桥则用于测量电阻信号。两者的工作原理相似。以电子电位差计来说其工作原理，待测信号与电位差计输出反馈信号进行比较，两者的差值经过放大器放大之后驱动伺服电机旋转，伺服电机的运动带动测量桥路中的可变电阻的中间抽头运动，使其阻值发生变化，改变测量桥路的输出值。当待测信号值与电桥输出值相等时，系统达到平衡。电机转动的角位移就与待测信号的大小成正比。电机可带动指针和记录笔一起动作，这样就可以起到指示和记录的目的。随着生产的发展，自动平衡式显示记录仪表的种类越来越多，构造上也千差万别，但是所采用的电压补偿的测量原理是相同的，不同的是采用不同的方法来实现电压反馈，如电容反馈，电感反馈等等。

模拟显示仪表存在它固有的局限性，主要表现在显示精度受到表盘刻度限制，提高较为困难，存在主观误差，传输信息的距离受到限制，测量的速度受到限制，不利于信息的处理等。

2、数字显示记录仪表

数字显示仪表是由于模拟显示仪表的局限性以及现代科学技术的发展而相应出现的另一类显示仪表。数字式显示仪表是把连续的被测模拟电参量自动的变成断续的用数字编码方式并以十进制数字自动显示测量结果的一种电测量仪表。这种仪表把电子技术、计算机技术、自动化技术的成果与精密电测量技术密切的结合在一起，成为仪器仪表领域中一个独立的分支。如图1所示为目前使用的功能比较齐全的数字显示记录仪表的硬件框图。

数字显示仪表采用数字量的方式进行显示，与模拟显示仪表相比有如下优点：由于数字显示仪表没有模拟显示仪表中所必须的机械运动机构，因此仪表的测量和显示速度、灵敏度(分辨率)、精度等均大大提高，动圈式仪表精确度仅为±1.0％，而数字显示仪通常为±0.2％，部分产品为±0.5％少数已达到±0.1％；数字显示清晰、醒目，便于远距离观测，又无视读误差，功能多；抗振性好，安装角度不受限制；输入阻抗高如配热电偶或mv型信号的输入阻抗可达MΩ级，而动圈式仪表外接电阻仅5Ω、15Ω，补偿导线的允许长度通常只有几十米；采用国际通用电源，电源可选交流、直流两种供电方式，即220vAC、24vDC。由于开关电源的普遍采用，不少产品适应交流电源的变化范围可达85-264vAC，50/60Hz；辅助功能多，以往的动圈式仪表通常只带上下限报警和单参数PID调节功能；而目前的数字显示仪拥有种类繁多的辅助功能，如可向变送器提供24vDC工作电源的配电功能、检测参数的标准化信号变送输出功能、四限(上上、上、下、下下)报警功能、报警接点延时功能、万能输入功能、万能输出功能、运算功能(如开方、乘除、累积运算)、复杂回路比例微分积分(PID)调节功能、数据通信功能、多种外形尺寸选择功能等。

数字显示仪表相对于模拟显示仪表也有其不足之处。模拟仪表可以做连续的倾向性显示，这是数字仪表至今无法办到的，另外，它所具有的对干扰不灵敏和稳定性能较好等优点也是受到重视的原因。数字式仪表的优点是精确、高速、分辨力不受表盘刻度的限制，有助于减少人一机间出现的含糊不清的疑点，并能实现人一机对话。但目前只能适用于单台显示仪表与选点显示中，对于高密度安装的仪表盘来说，大量的数字罗列，还不如模拟式仪表那样清晰和便于操作人员掌握全面情况。

发明内容

本发明提出一种带指针指示的数字式显示记录仪，既要能够准确的显示、记录参数大小的变化，并且对其进行相应的处理，以便对生产进行监控、管理；又要能够正确的反映出参数变化的趋势，使现场操作人员能够及时了解机器运行情况，进行相应的操作。

本发明的一种带指针指示的数字显示记录仪，包括电信号连接的信号调理电路、A/D转换电路、信号处理器、D/A转换电路、放大电路以及与信号处理器电信号连接的闪存Flash存储器，其特征在于：

(1)所述放大电路由依次电信号连接的前端放大单元、光电隔离单元和功率放大单元组成；

(2)功率放大单元输出电信号驱动交流伺服电机、后者连接并可带动光电码盘和指针旋转；

(3)光电码盘输出信号依次经脉冲处理电路和可逆计数电路送入信号处理器，构成反馈回路。

所述的带指针指示的数字显示记录仪，其进一步特征在于所述A/D转换电路、信号处理器、D/A转换电路的功能集成由微计算机完成。

所述的带指针指示的数字显示记录仪，所述微计算机可以包括两片单片机，其中一号单片机将由其集成的A/D转换电路采集的输入信号与来自所述反馈回路的信号相比较，通过积分逼近的控制算法经由其集成的D/A转换电路输出控制信号，并通过串行外围设备SPI接口将经A/D转换后的输入信号送至二号单片机；二号单片机完成对闪存Flash存储器的读写操作、键盘显示并连接通信接口。

本发明的带指针指示的数字式显示记录仪是一种集合模拟显示仪表和数字显示记录仪优点的新型显示记录仪。它是一个由微处理器、伺服电机和光电码盘组成的数字随动系统，同时具有数字显示记录和多圈模拟指针指示两种显示方式。既有精确的数字显示，又能由指针表示出信号变化的趋势，解决了单独的模拟和数字仪表都不能解决的问题。

本发明使用高转度的A/D转换器，大容量的Flash存储器，使系统数字显示精度达到千分之一，并且具有记录两万组数据信息的能力；使用了积分逼近的控制算法，控制输出为一系列等间距、变脉宽的脉冲信号，使得系统响应速度快，上升时间短，而且没有超调量和振荡过程；以交流伺服电机为执行机构、微处理器作为数字控制器、光电码盘作为反馈元件构成闭环控制系统，对光电码盘的输出信号进行倍率处理，提高了反馈回路的分辨率。指针在多圈连续指示时能反应1°的位置变化。

本发明能够接受电压、电流、热电偶、热电阻等多种形式的信号输入；还可以通过通信接口将数据实时传送至上位机，由上位机软件对数据进行有效的分析、管理，满足了生产和用户的需求。

附图说明

图1为目前通用的一种数字显示记录仪表硬件框图；

图2为本发明的一种实施情况；

图3为本发明采用两片单片机的实施情况；

图4为本发明表盘部分结构示意图；

图5为本发明表盘外形示意图；

图6(a)表示控制信号变化过程，图6(b)表示系统响应曲线；

图7(a)表示光电码盘输出信号处理，图7(b)表示处理后对应脉冲

信号。

具体实施方式

以下结合附图解释本发明的具体实施方式。

图2表示了本发明的一种实施情况，其中单片机作为信号处理器。在这里，我们用到了单片机的总线操作功能、口线输入输出功能、逻辑判断能力和运算功能。单片机读入由A/D转换器转换而来的数据，经过一定的处理之后得到输入信号的测量值。单片机把这个信号送至显示单元显示，送到Flash存储器存储。同时单片机读入可逆计数器的值，了解反馈信号的大小。将反馈信号与输入信号进行比较，通过积分逼近的控制算法后输出控制信号。控制信号经过D/A、放大、隔离、功率放大后驱动电机。通信接口可以让单片机与上位机进行联系，当上位机发出指令后，单片机通过通信口将Flash存储器中的数据传送至上位机，由上位机实现图、表输出等功能。键盘的使用可以完成对整个系统的设置，时间标定等等。

图3表示本发明采用两片单片机的实施状况，一号单片机Aduc836与放大电路、交流伺服电机、光电码盘和脉冲处理电路一起构成一个闭环系统。输入信号经过调理电路后输入到一号单片机Aduc836，由其集成的A/D转换器采集并与由光电码盘和脉冲处理电路产生的反馈信号相比较，通过一定的控制算法，由单片机集成的D/A转换器输出控制信号，对控制信号进行前端放大、光电隔离、功率放大单元后驱动交流伺服电机，带动指示指针旋转。由于普通Flash存储器的存储速度相对较慢，为了不影响闭环系统的控制效果，Aduc836通过SPI接口把对输入信号经A/D转换后的采集结果送至二号单片机89C51。对Flash存储器的写入操作、数据显示、人机对话、数据通信等功能皆由二号单片机89C51完成。

图4表示本发明表盘部分的一种结构，其中交流伺服电机1和表盘4均由支架2固定，电机轴旋转带动光电码盘3和指针5旋转。

在图5中，表盘4上安装有指针5、数字显示6、发光二极管指示7和按键8，指针主要完成连续多圈指示的功能；数字显示的部分则精确的反映出输入信号的大小；发光二极管表明目前指针已经旋转了多少圈，它与指针指向的刻度一起说明指针指示的位置；按键主要用来完成一些人机接口工作，如调零等。

设输入信号为4-20mA，指针满量程旋转4圈。图6(a)、(b)给出了一个输入8mA阶跃信号时控制信号的变化过程以及系统的响应曲线。由图(a)可以看出，控制信号是一个等间距、变脉宽的脉冲序列，位置积分值越接近给定值，脉宽越窄，直至系统的输出落在一定的死区范围内；整个系统的上升时间主要却决于电机本身的转速，没有超调量和震荡过程。

光电码盘输出信号处理及结果反映在图7(a)和图7(b)中。光电码盘的输出是两路相位差为90°的方波信号，设其为A、B两相。当码盘顺时针转动时A相超前B相，反之则B相超前A相。如图7(a)所示，将A、B两相信号相反，得到相位差别分别为90°的四路信号，然后对每一条路信号都进行微分处理。可以看到，A、B两相信号的上跳沿和下跳沿都被作为有用信号加以了利用，这样就提高了反馈的精度。如果反馈回路要反应出1-的位置变化，那么90线的光电码盘即可满足要求。

A、B两相信号之间的相位关系可以用来判断码盘转动的方向。利用一定的门电路可以得到两列脉冲，分别对应码盘的顺时针旋转和逆时针旋转，如图7(b)所示。将这两列脉冲分别连接到Aduc836的计数器T1，T2，将两计数器的计数值相减就可以得到电机当前的角位移。如果计数器记数溢出则产生中断，此时记录下两个计数器的差值为基数值，并将两个计数器一起清零，以后两计数器的差值加上基数值就是电机所处的位置。

Claims (3)

1、一种带指针指示的数字显示记录仪，包括电信号连接的信号调理电路、A/D转换电路、信号处理器、D/A转换电路、放大电路以及与信号处理器电信号连接的闪存Flash存储器，其特征在于：

(1)所述放大电路由依次电信号连接的前端放大单元、光电隔离单元和功率防大单元组成；

(2)功率放大单元输出电信号驱动交流伺服电机、后者连接并可带动光电码盘和指针旋转；

(3)光电码盘输出信号依次经脉冲处理电路和可逆计数电路送入信号处理器，构成反馈回路。

2、如权利要求1所述的带指针指示的数字显示记录仪，其特征在于所述A/D转换电路、信号处理器、D/A转换电路的功能集成由微计算机完成。

3、如权利要求2所述的带指针指示的数字显示记录仪，其特征在于所述微计算机包括两片单片机，其中一号单片机将由其集成的A/D转换电路采集的输入信号与来自所述反馈回路的信号相比较，通过积分逼近的控制算法经由其集成的D/A转换电路输出控制信号，并通过串行外围设备SPI接口将经A/D转换后的输入信号送至二号单片机；二号单片机完成对闪存Flash存储器的读写操作、键盘显示并连接通信接口。

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