FS9821在高精度数显隔离变送器开发中的应用

在工业控制过程中，经常需要对一些参数进行测量，而一般传感器的输出信号较弱，不适合作远距离传输。为了减小干扰，通常采用4mA~20mA电流输出的双绞线变送器。
信号模拟处理的变送器，由于电路的复杂性的限制，非线性补偿效果不理想，很难在全温度范围内实现温度补偿，因此达不到较高的精度要求。
另外，就地显示的变送器越来越受欢迎，LCD直接显示输入压力及相应单位， LCD指示单位自定的流量工程值等。在某些场合可以省略现场一次指示仪表，如压力表、转子流量计等而不影响现场的监视与操作。
随着低功耗高精度单片机的日益普及，为高精度的智能变送器的设计提供了技术途径。如智能差压变送器只须通过简单的设定而获得与输入差压信号平方根关系的输出信号，因而可免于使用差压式流量计的开方环节．简化了测量、控制系统的构成。
本文介绍了利用台湾富晶公司新近推出的一种功能很强的低功耗单片机制作数显隔离变送器的硬件构成及工作原理。

系统硬件构成及工作过程


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图1 数显隔离变送器硬件组成图
数显隔离变送器的硬件系统构成如图1所示。系统由传感器、低功耗传感器信号处理单片机FS9821、液晶显示、EEPROM、参数设置按键、上下限报警输出继电器和PDM转换4~20mA电路等几部分构成。单片机FS9821为虚线所框，内部功能组成也在图中示意。
富晶半导体公司新的混合信号处理单芯片OTP微控制器——FS9821专为传感器应用而设计，配有2K程序内存，内含LCD驱动器、稳压器、低压探测器、低压重置、看门狗定时器、内部振荡器、实时时钟电路、低噪声运算放大器以及14位无噪声Δ-Σ模数转换器，工作电压为2.2V~3.6V，工作电流小于4mA为一高集成度的混合信号处理单芯片OTP微控制器。

      系统的工作过程：从（压力、温度、、）传感器来的信号进入到低噪声运算放大器，根据传感器输入信号的范围可由外部电阻设定放大倍数（一般50倍以下），运算放大器的输出信号到14位A/D转换器， A/D转换器对模拟信号数字化并进行数字滤波后，由CPU根据从片内温度传感器读来的温度信号，从24C08EEPROM中读取零点、线性度校正系数后，进行温度补偿和非线性补偿，然后根据量程范围进行量程转换并将其送到PDM存储器输出，通过转换电路输出4~20mA，同时将传感器输入信号以相应的单位显示在液晶显示器上。

由于LCD直接驱动了，按键输入电路和光藕隔离输出继电器开关电路十分普遍且简单，24C08和单片机的接口到处都有描述，这里就不再叙述。

FS9821和传感器的接口


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FS9821有一个给传感器供电的电压源Vs=3.6V，ADC差模输入范围为 600m V Max，根据传感器满量程的信号幅值可由外部电阻设定运算放大器的放大倍数（最大50倍），在这个范围对地AGND提供了2个参考电压VR1P=472mV，VR2P=236mV可以作为ADC的参考电压输入； 当传感器的信号不对称或太小时，也可由VS通过电阻分压提供ADC的参考电压输入；如图，ADC差模输入范围为360mV， 运放放大倍数为30 ；
FS9821配有温度传感器，可选择它们到ADC输入转换成数字码。{TEMPH,TEMPL},典型值为550μV+50μV /℃

PDM隔离转换为4~20mA的电路
FS9821输出信号调制的PDM波形，传送信号的瞬时电平与脉冲密度成正比，经过光电隔离后对PDM信号低通滤波，转换成模拟电压信号；在经过电压/电流转换变成4~20mA输出。



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相对PWM而言，转换为模拟电压时，PDM的输出在时间轴上分布的较为平均。

FS9821的软件
FS9821的指令系统和PIC类似，有37条精简指令。常用的乘法、除法、二进制和十进制变换子程序等都可和PIC相同。
数显隔离变送器的软件部分包括以下几个模块：
（1）对FS9821进行初始化，包括对单片机进行初始化、对液晶显示器、A/D转换器和PDM输出的初始化。
（2）现场传感器（压力）和温度数据的采集
（4）（压力）传感器的零点校准，温度漂移补偿和非线性补偿
（5）量程转换，4~20mA输出
（6）实时数据显示。


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结语
      FS9821传感器信号处理单片机价格只有美国同功能芯片的三分之一。使用本文提出的方案设计的数显隔离变送器具有高精度，本地显示，电气隔离，体积小，使用方便等特点，可以应用在需要检测微弱参数的很多领域。

FS9821在高精度数显隔离变送器开发中的应用