CN1595311A - 自动标定模拟信号测量装置的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动标定模拟信号测量装置的系统和方法，其中该方法包括：PC机，用于控制被标定的模拟信号测量装置的标定过程，先发送组态消息，然后接收标准值和相应的采样值，获得标定参数，最后将标定参数写入模拟信号测量装置中；控制卡，连接PC机，用于接收组态消息，并执行PC机下发的控制命令和将获得的标准值和相应的采样值发送回PC机；通讯卡，连接控制卡，用于建立标定过程中控制卡和模拟信号测量装置之间的通信连接；和模拟信号测量装置一一对应的信号源输出装置，分别连接通讯卡和模拟信号测量装置，用于根据组态消息，产生标准值，并发送至模拟信号测量装置，以获得相应的采样值。

Description

自动标定模拟信号测量装置的系统及方法

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，尤其涉及一种对模拟信号测量装置进行自动标定的系统及方法。

背景技术

在工业自动化控制领域中，通常需要测量大量的现场数据，而该些测量数据的精确性、实时性直接影响着整个自动化控制系统的控制，因此数据的测量显得尤为重要。

其中，用于测量模拟信号的装置称之为模拟信号测量装置。请参阅图1，其为模拟信号测量装置的一个原理结构示意图。它是由信号输入接口11、A/D转换器12(模/数转换器)、隔离电路13、CPU14和EEPROM(电可擦除只读存读器)15和电源16等组成。信号输入接口11是模拟信号的前端调理电路，对输入信号进行调理，如：对于输入的电流信号，将其线性转换成电压信号；对于电压或电阻信号，则进行相应的放大处理。它主要是将采集到的模拟信号首先通过前凋理电路、A/D转换电路12等的处理，转换成数字信号，接着由CPU14进行数字信号标准化处理，最后得到用户希望的标准数据格式。

为了测量的准确，模拟信号测量装置的输入与输出数据之间必须保持严格的线性关系。但是，由于在不同的模拟信号测量装置之间存在着诸多因素的差异，使其测量精度受到影响；即便是同一模拟信号测量装置，对于不同的单体来说，由于其前端调理电路、A/D转换电路和测量装置中其它电路存在电气离散性，直接影响测量精度；由此对于同一个被测量的模拟信号，若分别使用不同的模拟信号测量装置进行测量，完全可能会得到不同的信号值。所以，在模拟信号测量装置的生产和应用过程中，必须对其精度参数等进行标定。

所述标定，就是针对模拟信号测量装置的各个单体，借助更高精度的信号测量装置(后称之为高精度测量装置)或输出装置，求得各个模拟信号测量装置单体的线性化曲线，把得到的参数固化入本模拟信号测量装置中，进而基本消除单体之间的测量离散性或把各个单体的测量误差控制在精度允许范围内。

请参阅图2，其为公知的自动标定模拟信号测量装置的系统结构示意图。该系统包括计算机21、控制卡22、通讯卡23、高精度测量装置24及被标定的模拟信号测量装置25。其中：

PC机21，用于控制写入被标定的模拟信号测量装置25，完成参数标定过程。

控制卡22，为工业控制行业常见的主控制器，它向上与PC机21连接，可接收PC机的组态消息，执行相应的控制程序，并把监控数据发回给PC机21，最终由PC机21的监控软件来监视其运行状况。它向下与通讯卡23连接，组成通讯网络，进一步控制下位各个装置的运行情况。在控制卡22和PC21之间通常采用串行RS232/RS485进行通讯，其速率较低，带宽也相对较小，不适合模拟量信号测量装置的批量标定。

通信卡23，主要是建立控制卡22和被标定的模拟信号测量装置25之间的通信接口，即完成数据转发的功能。

高精度测量装置24，连接模拟信号测量装置25，用于测量模拟信号测量装置25的基准值或初始值。高精度测量装置24可采用万用表。

另外，利用通信卡23和切换开关(图中未绘示)，该系统可标定数块模拟信号测量装置25。

基上上述系统，请参阅图3，现有技术采用以下步骤完成模拟信号测量装置的自动标定：

首先进行步骤S110：首先使用高精密测量装置24对被标定的模拟信号测量装置25进行对比测量，对比测量指测量该装置的基准电压信号值或初始精度；

接着进行步骤S120：对比标准信号，获得标定参数；

最后进行步骤S130，通过PC机21控制通讯卡23将标定参数写入被标定的模拟信号测量装置25的EEPROM(或FLASH)中，完成参数标定。

例如，采用双积分型A/D原理的模拟信号测量装置，通过使用高精密度测量装置直接测量该模拟信号测量装置中的积分基准电压，然后把该基准电压的值进行标准化处理，折算为该电压信号幅值的积分时间，最后将积分时间写入该模拟信号测量装置的EEPROM/FLASH芯片中。该模拟信号测量装置在实际测量信号时，把实际测量信号的积分时间和EEPROM/F1ASH的积分时间做比例推算，即得到实际测量信号的标准化数据。

上述是通过PC机21控制通讯卡23自动写入，现有技术中还有直接通过芯片烧结用手工方式将参数写入EEPROM(或FLASH)中。由于现有技术采用手工/半自动方式实现模拟信号测量装置的标定，需要较多的人工参与，包括需要人工目测高精度测量装置的测量数、需要人工频繁接线、需要人工将参数通过芯片烧结的方式写入EEPROM等过程，因此存在标定效率低、批量生产不易的缺点；同时由于太多的人工参与，导致整个系统的工作稳定性、标定参数的一致性等方面均受影响；由此该方法一般只适合在小范围、标定任务相对较少的情况下应用。

发明内容

本发明要解决是现有技术采用半自动或手动的方式进行模拟信号测量装置的校正，存在校正速度慢，效率低的技术问题。

为解决上述问题，本发明公开了一种自动标定模拟信号测量装置的系统，包括：PC机，用于控制被标定的模拟信号测量装置的标定过程，先发送组态消息，然后接收标准值和相应的采样值，获得标定参数，最后将所述标定参数写入所述模拟信号测量装置中；控制卡，连接所述PC机，用于接收所述组态消息，并执行所述PC机下发的控制命令和将获得的所述标准值和相应的采样值发送回所述PC机；通讯卡，连接所述控制卡，用于建立标定过程中控制卡和所述模拟信号测量装置之间的通信连接；和所述模拟信号测量装置一一对应的信号源输出装置，分别连接所述通讯卡和所述模拟信号测量装置，用于根据所述组态消息，产生标准值，并发送至所述模拟信号测量装置，以获得相应的采样值。

所述信号源输出装置包括微处理器、基准源、量程选择单元，其中：微处理器，与所述通讯卡连接，用于根据接收到的所述组态消息，控制所述量程选择单元的输出，并把所述量程选择单元输出的标准值通过通讯卡发送至控制卡；基准源，用于产生一基准信号；量程选择单元，分别与所述微处理器和所述基准源连接，用于根据所述微处理器控制所述基准信号的量程，输出标准值。

该信号源输出装置还包括：通道选择单元，分别与所述微处理器和所述量程选择单元连接，用于在微处理器的控制下，选择通道输出所述标准值。

所述PC机通过以太网和所述控制卡连接，以使所述一控制卡级连若干通讯卡。

所述信号源输出装置包括电压电流信号源输出装置和电阻信号源输出装置。当所述信号源输出装置为电阻信号源输出装置时，所述基准源包括纯电阻网络，所述量程选择单元包括MOS管。当所述信号源输出装置为电压电流信号源输出装置时，所述基准源包括专用基准芯片，所述量程选择单元包括光电隔离器件。所述通道选择单元包括译码电路和通道开关。

本发明还公开了一种自动标定模拟信号测量装置的方法，应用于所述标定系统，所述标定系统包括PC机、控制卡、通讯卡、信号源输出装置及被标定的模拟信号测量装置，包括以下步骤：A：所述PC机下发组态消息，所述组态消息包括数据的类型和量程点信息；B：所述信号源输出装置通过控制卡和通讯卡，接收到所述组态消息，并向所述模拟信号测量装置输出对应所述量程点信息的标准值；C：在所述模拟信号测量装置上测量和所述标准值对应的采样值；D：PC机根据所述标准值和所述采样值，获得所述标定值，并将所述标定值写入所述模拟信号测量装置中。

步骤D中是通过最小二乘法或多段折线法获得标定值。步骤C和步骤D之间还包括：判断在预先设定的时间内是否收到所述标准值和所述采样值，若是，进行步骤D，否则，进一步判断未收到的次数是否大于等于预先设定的次数，若是，则退出，否则进行步骤A。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用了高精密度高稳定性的信号源输出装置，易于集成和接入，其输入输出接口符合工业自动化领域中的模拟信号测量装置，实现标定过程的自动化，进而提高了标定效率；并且，本发明PC机和控制卡之间通过以太网进行通信，使得控制卡下可级连若干通信卡，使得一块控制卡可控制若干模拟信号测量装置的标定，进而提高了标定的效率，还有，本发明中的信号源输出装置采用通道选择单元，以实现输出信号的多通道切换，解决了以前方式中批量标定操作不易的难题，使标定过程脱离了通用的高精度测量装置，实现了在应用中的批量标定，分时标定、现场标定及偏差校正等功能。同时，可现有技术相比，降低了成本、降低了操作的复杂度，提高了系统的可操控性。

附图说明

图1是模拟信号测量装置的一个原理结构示意图。

图2是公知的自动标定模拟信号测量装置的系统结构示意图。

图3是模拟信号测量装置的自动标定的流程图。

图4是本发明的一种自动标定模拟信号测量装置的系统的结构示意图。

图5是本发明的另一种自动标定模拟信号测量装置的系统的结构示意图。

图6是为信号源输出装置的一个实施例的结构示意图。

图7基于上述系统的标定流程图。

图8是本发明的电阻信号测量装置的一种输入调理电路接口原理图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。

请参阅图4，其为本发明的一种自动标定模拟信号测量装置的系统的结构示意图，该系统除了预标定的模拟信号测量装置25，还包括PC机21、控制卡22、通讯卡23和信号源输出装置26。其中：

PC机21，用于控制被标定的模拟信号测量装置的标定过程，先发送组态消息，然后接收标准值和相应的采样值，获得标定参数，最后将所述标定参数写入所述模拟信号测量装置25中；

控制卡22，连接所述PC机21，用于接收所述组态消息，并执行PC机21下发的控制命令和将获得的所述标准值和相应的采样值发送回所述PC机21；

通讯卡23，连接所述控制卡22，用于建立标定过程中控制卡、所述模拟信号测量装置25及信号源输出装置26之间的通信连接；

和所述模拟信号测量装置25一一对应的信号源输出装置26，分别连接所述通讯卡23和所述模拟信号测量装置25，用于根据所述组态消息，产生标准值，并发送至所述模拟信号测量装置25，以获得相应的采样值。

请参阅图5，PC机21和控制卡22之间通过以太网进行连接，以使一块控制卡22可以级连若干通讯卡23，并且若采用浙大中控的系统中的型号为FW233的通讯卡(即数据转发卡)，在一块通讯卡下可级连接若干被标定的模拟信号测量装置25和对应的信号源输出装置26。

请参阅图6，为信号源输出装置的一个实施例的结构示意图。它包括微处理器261、基准源262、量程选择单元263及通道选择单元264，其中：

微处理器261，与所述通讯卡23连接，用于根据接收到的所述组态消息，控制所述量程选择单元263和通道选择单元264的输出，并把所述量程选择单元263输出的标准值通过通讯卡23发送至控制卡22；

基准源262，用于产生一基准信号；

量程选择单元263，分别与所述微处理器261和所述基准源262连接，用于根据所述微处理器261控制所述基准信号的量程，输出标准值；

通道选择单元264，分别与所述微处理器261和所述量程选择单元263连接，用于在微处理器的控制下，选择通道输出所述标准值。

信号源输出装置26通过微处理器261内部的UART接口(即UniversA1Asynchronous Receiver TrAnsmitter，通用异步收发器)和通讯卡23进行数据交互，获取组态消息，该组态消息包括输出信号的类型、量程点等信息，然后通过微处理器261的通用I/O口线控制量程选择单元263的片选口线，也即实现了基准信号的量程选择。还有，为了实现多通道切换功能，本发明还使用通道选择单元264进行通道选择输出。

信号源输出装置包括电压电流信号源输出装置和电阻信号源输出装置。其中，电压电流信号源输出装置采用的是高精密度和稳定度的5V基准芯片(REF102芯片)作为基准源，而量程选择单元可选用光电隔离器件TLP521；通道选择单元可以是八选一通道开关M4051芯片或是三-八译码电路(74HC138芯片)。

电阻信号源输出装置采用高稳定度的纯电阻网络作为基准源，通过具有极低导通阻抗特性的MOS管(IRFZ48N)实现多量程的选择切换。而通道选择单元可以采用较常见的三-八译码电路(74HC138芯片)来实现。

电压电流信号源输出装置可完成标准II型、III型电压电流信号，0～20mV信号、0～100mV信号的定点输出，一般定为量程的10％、50％、90％三个点，同时可以从微处理器261的存储器芯片中读出输出点的标准值并上送。

电阻信号源输出装置根据工业现场的常用信号范围定制，完成40Ω、60Ω、80Ω、100Ω、140Ω、170Ω、250Ω、370Ω八档电阻输出，可满足Pt100和Cu50等热电阻信号和纯电阻信号测量装置的标定。

请参阅图7，其为基于上述系统的标定流程图。

其标定步骤包括：

S210：PC机21通过以太网将组态消息及初始化数据发送到控制卡22，并通过通讯卡23与信号源输出装置26及被标定的模拟信号测量装置25建立通讯；组态及初始化数据包括针对具体测量装置的特定量程范围，指定几点具有线性化代表性的信号点；

S220：信号源输出装置26接收组态及初始化数据；

S230：信号源输出装置26根据组态消息，输出若干点基准信号给该模拟信号测量装置25，模拟信号测量装置25即把采样到的原始测量数据上送PC机21，同时高精密度的信号源输出装置26也上送该点信号的标准值给PC机21；

S240：判断在预先设定的时间内是否收到数据，则是进行步骤S250，否则，判断未收到的次数是否大于等于预先设定的次数到达，若是标定结束，否则进行步骤S210；

S250：PC机21根据标准值和测量装置的采样测量值用最小二乘法或其它方法如多段折线法模拟一条线性曲线，即求得此线性化曲线的参数；

S260：PC机21把求得的线性化参数写入该模拟信号测量装置25的EEPROM中，完成对该测量装置的参数标定。

若还需标定下一块模拟信号测量装置，则重复步骤210～260。

下面以电阻信号测量装置的标定过程为例，说明详细的标定方法，其他信号输入/输出装置的标定方法同本标定方法类似。

电阻信号测量装置的测量原理，以三线制测量方法为例，其输入调理电路接口原理如图8所示。图中：

RTD＝(2*VS2-VS1)/I＝VIN/I

其中RTD即为待测的电阻信号，RL为引线电阻，电压VS1，VS2，VIN以VSG为基准地，恒流源为待测电阻的充电电流，逻辑运算电路完成(2*VS2-VS1)的运算。由上式可以看出，待测电阻RTD的值和A/D转换电路的输入值成正比，即和最终求得的标准化数据成正比。所以，其满足线性化标定方法的基本条件：输入输出成正比，这也是能实现线性标定的基础。

由前述的线性化曲线的求解方法分析，整体标定过程如下：电阻信号源输出装置输出特定的几点信号值并上送标准值，由待标定的测量装置采样并上送原始采样值，最后对这几点信号进行最小二乘法的拟合，求得此线性关系曲线：Y＝KX+B，曲线的K、B值被最终写入该测量装置的失电保护存储器EEPROM中。在电阻信号测量装置的正常工作过程，只需读出此直线的K、B值和现场信号的A/D原始采样值以后，装置就能够准确的计算出现场信号的大小。

进一步以Pt100热电阻信号的标定过程为例：

电阻信号源输出装置在标定Pt100时分别输出40Ω、170Ω、370Ω三点电阻信号。在标定软件中，标定信息设置完成后，“输出40Ω信号”的命令通过PC机、控制卡、通讯卡下发给电阻信号源输出装置，该装置在输出40Ω信号的同时，回送40Ω电阻的标准数据格式(如0x0fff，该标准数据格式由测量装置的内部数据定义格式而定)，同时信号测量装置即开始采样该40Ω信号，并把采样到的原始值(如0x2000)同样通过通讯通道回送给标定软件，标定软件即得到(0x2000，0x0fff)点坐标；同样的方法求得170Ω、370Ω两点的坐标。然后标定软件应用最小二乘法算法拟合出该线性化曲线，也即求得该曲线的K、B值，并计算出最终的标定数据，再下发给电阻信号测量装置，即完成了该装置的Pt100热电阻信号的标定。

上述为电阻信号测量装置的标定过程，电压电流信号测量装置的标定方法与电阻信号测量装置的标定过程类似，这里不再赘述。

上述公开的是所述的模拟信号测量装置的自动标定，而校正主要是指偏差校正，即对于测量精度超限的装置，进行参数的校正，也即线性化曲线的微差调整，其实现可与参数标定相似的方法，也可根据经验值直接通过标定软件实现。

同时，标定系统中信号源输出装置采用了专用的通讯机制，实现了对测量装置的分时标定功能，即每一对信号源输出装置/被标定测量装置的操作流程上可以相互隔离。这使得在同一控制单元中标定不同应用系统的不同测量装置成为可能，并且在具体使用上将大大提高工作效率。

因此，本发明所述的模拟信号测量装置的自动标定的方法，可灵活的实现各种形式的标定和校正过程，如二次标定、统一标定、读写EEPROM数据和偏差校正等，这些都视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1、一种自动标定模拟信号测量装置的系统，其特征在于，包括：

PC机，用于控制被标定的模拟信号测量装置的标定过程，先发送组态消息，然后接收标准值和相应的采样值，获得标定参数，最后将所述标定参数写入所述模拟信号测量装置中；

控制卡，连接所述PC机，用于接收所述组态消息，并执行所述PC机下发的控制命令和将获得的所述标准值和相应的采样值发送回所述PC机；

通讯卡，连接所述控制卡，用于建立标定过程中控制卡和所述模拟信号测量装置之间的通信连接；

和所述模拟信号测量装置一一对应的信号源输出装置，分别连接所述通讯卡和所述模拟信号测量装置，用于根据所述组态消息，产生标准值，并发送至所述模拟信号测量装置，以获得相应的采样值。

2、如权利要求1所述的自动标定模拟信号测量装置的系统，其特征在于，所述信号源输出装置包括微处理器、基准源、量程选择单元，其中：

微处理器，与所述通讯卡连接，用于根据接收到的所述组态消息，控制所述量程选择单元的输出，并把所述量程选择单元输出的标准值通过通讯卡发送至控制卡；

基准源，用于产生一基准信号；

量程选择单元，分别与所述微处理器和所述基准源连接，用于根据所述微处理器控制所述基准信号的量程，输出标准值。

3、如权利要求2所述的自动标定模拟信号测量装置的系统，其特征在于，还包括：

通道选择单元，分别与所述微处理器和所述量程选择单元连接，用于在微处理器的控制下，选择通道输出所述标准值。

4、如权利要求1至3中任何一项所述的自动标定模拟信号测量装置的系统，其特征在于，所述PC机通过以太网和所述控制卡连接，以使所述一控制卡级连若干通讯卡。

5、如权利要求2或3所述的自动标定模拟信号测量装置的系统，其特征在于，所述信号源输出装置包括电压电流信号源输出装置和电阻信号源输出装置。

6、如权利要求4所述的自动标定模拟信号测量装置的系统，其特征在于，当所述信号源输出装置为电阻信号源输出装置时，所述基准源包括纯电阻网络，所述量程选择单元包括MOS管。

7、如权利要求4所述的自动标定模拟信号测量装置的系统，其特征在于，当所述信号源输出装置为电压电流信号源输出装置时，所述基准源包括专用基准芯片，所述量程选择单元包括光电隔离器件。

8、如权利要求6或7所述的自动标定模拟信号测量装置的系统，其特征在于，所述通道选择单元包括译码电路和通道开关。

9、一种自动标定模拟信号测量装置的方法，应用于所述标定系统，所述标定系统包括PC机、控制卡、通讯卡、信号源输出装置及被标定的模拟信号测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

A：所述PC机下发组态消息，所述组态消息包括数据的类型和量程点信息；

B：所述信号源输出装置通过控制卡和通讯卡，接收到所述组态消息，并向所述模拟信号测量装置输出对应所述量程点信息的标准值；

C：在所述模拟信号测量装置上测量和所述标准值对应的采样值；

D：PC机根据所述标准值和所述采样值，获得所述标定值，并将所述标定值写入所述模拟信号测量装置中。

10、如权利要求9所述的自动标定模拟信号测量装置的方法，其特征在于，步骤D中是通过最小二乘法或多段折线法获得标定值。

11、如权利要求9所述的自动标定模拟信号测量装置的方法，其特征在于，步骤C和步骤D之间还包括：

判断在预先设定的时间内是否收到所述标准值和所述采样值，若是，进行步骤D，否则，进一步判断未收到的次数是否大于等于预先设定的次数，若是，则退出，否则进行步骤A。

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