天地（常州）自動化股份有限公司 季小燕

1.引言

頻率電流轉(zhuǎn)換器可以采集標準的200-1000Hz(或者0-1000Hz)的頻率信號并將其轉(zhuǎn)換成標準的4～20mA的電流信號，因目前多數(shù)傳感器輸出頻率信號而PLC、DCS系統(tǒng)能夠大量采集的是電流信號，所以被廣泛應(yīng)用于PLC、DCS系統(tǒng)的數(shù)采集。現(xiàn)在的頻率電流轉(zhuǎn)換器在實際的應(yīng)用中容易受外界環(huán)境干擾而出現(xiàn)工作不穩(wěn)定，誤差增大等問題，一般采取的措施就是設(shè)計硬件電路通過精密可調(diào)電位器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的精度，使其滿足要求，這在一定程度上加大了現(xiàn)場維護的難度。為此，筆者設(shè)計了一種具有自動校正功能的頻率電流轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器采集傳感器（或其他設(shè)備）的頻率信號，將頻率信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號。同時利用閉環(huán)控制原理[2]，將電流信號反饋給轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器采集到的電流數(shù)據(jù)和由頻率轉(zhuǎn)換的電流數(shù)據(jù)二者進行比較，通過算法處理，校正電流輸出，使轉(zhuǎn)換器的精度和工作穩(wěn)定性都能提高。

2.頻率電流轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計

隔離式頻率電流轉(zhuǎn)換器主要由頻率電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓電流轉(zhuǎn)換電路以及電源管理模塊以及閉環(huán)的反饋控制模塊(自校正)組成，如圖1所示。頻率電壓轉(zhuǎn)換電路以美國微芯半導體公司的單片機PIC16F1783為核心，由單片機最小系統(tǒng)以及頻率隔離、采集模塊組成。電壓電流轉(zhuǎn)換電路采用ANALOG DEVICES公司的集成芯片AD5410設(shè)計。外部直流電源一部分直接給電壓電流轉(zhuǎn)換芯片供電，另一部分通過降壓芯片LDO轉(zhuǎn)換為5V直流電源給單片機以及其他模塊供電。閉環(huán)反饋模塊主要是是通過精度為0.01%的高精密電阻采集轉(zhuǎn)換器的輸出電流，然后將轉(zhuǎn)換后的電壓反饋到單片機系統(tǒng)中，通過單片機內(nèi)置的AD模塊采集電壓，做數(shù)據(jù)處理

。3.頻率電流轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計

頻率電流轉(zhuǎn)換器的軟件采用C語言程序模塊化程序設(shè)計，主要包括頻率信號的采集處理、反饋的電壓信號采集處理，自動校正算法等，具體流程如圖2所示。

3.1 自動校正處理

工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境非常復雜，電磁干擾、環(huán)境溫度、濕度的差異以及噪聲等因素使轉(zhuǎn)換器上的核心元器件的性能有所變化，因此轉(zhuǎn)換器的電流輸出值就會與實際值存在偏差，即產(chǎn)生誤差，目前大多做法是通過硬件電路調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的精度，使其滿足要求。不失一種解決辦法，但是每個現(xiàn)場條件不一樣，迫使每個現(xiàn)場都要對轉(zhuǎn)換器的硬件做調(diào)節(jié)，無疑加大了調(diào)試和后期維護的難度和成本。筆者利用閉環(huán)控制原理，采集轉(zhuǎn)換器輸出的電流，通過處理轉(zhuǎn)換為和輸入頻率一致的數(shù)據(jù)，在單片機內(nèi)部將頻率數(shù)據(jù)和反饋的電流數(shù)據(jù)做比較，如果反饋數(shù)據(jù)大于頻率處理數(shù)據(jù)，就相應(yīng)的減小將要發(fā)送的數(shù)據(jù)；反之，如果反饋數(shù)據(jù)小于頻率處理數(shù)據(jù)，就相應(yīng)增加將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，輸出穩(wěn)定、精確的頻率數(shù)據(jù)，從而達到自動校正輸出電流的目的，其具體流程如圖3所示。

表1 頻率電流轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出格式

表2 環(huán)境因素反饋補償前后所測數(shù)據(jù)

圖1 隔離式頻率電流轉(zhuǎn)換器的硬件組成

圖2 頻率電路轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計流程圖

圖3 環(huán)境反饋補償流程

3.2 轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)輸出格式

筆者設(shè)計的這款隔離式頻率電流轉(zhuǎn)換器為了完全滿足工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用，并減輕控制機的數(shù)據(jù)處理工作量，在數(shù)據(jù)處理上做了相關(guān)處理，處理形式如表1所示。

從表1可以看出，輸入頻率小于180Hz或者大于1050Hz時，轉(zhuǎn)換器按照無頻率處理，輸出0mA，可做為斷線處理狀態(tài)，在181-199和1001-1050區(qū)間范圍內(nèi)是一個離散值，當主控制器采集到這兩個數(shù)值即可進行報警處理，只有在200-1000Hz的范圍內(nèi)線性輸出4-20mA的電流。

4.測試

在同一工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下，環(huán)境因素反饋補償前后所測得一組數(shù)據(jù)如下表2所示。

由表2可以看出，在補償前，測量值誤差較大，最大一組數(shù)據(jù)誤差已經(jīng)接近0.5%了，而補償后的數(shù)據(jù)最大誤差也不到0.1%，由此表明補償效果很好。

5.結(jié)語

測試結(jié)果表明，筆者設(shè)計的自校正功能的頻率電流轉(zhuǎn)換器性能得到很大程度上的改善。該轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在已經(jīng)在KXJ11-660隔爆兼本安型PLC控制箱中得到現(xiàn)場應(yīng)用。隨著PLC控制箱的大量推廣，該轉(zhuǎn)換器也得到了大量推廣。目前在很多傳感器上也開始配套使用本頻率電流轉(zhuǎn)換器。實際應(yīng)用表明，該轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集精度可達0.2級，誤差范圍小于±0.2%，滿量程(1000Hz，對應(yīng)輸出20mA)工作時的電流為26.8±0.2mA，最低功耗僅為280mW(當供電電源為12V，此時最大負載為500Ω)，而且穩(wěn)定性好，受環(huán)境因素影響小，滿足一般工業(yè)控制應(yīng)用的要求。

[1]費業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理(5版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[2]胡壽松.自動控制原理(5版)[M].北京:科學出版社,2007.

[3]李榮正.PIC單片機原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010.