發布者：虹潤集團
過程校驗儀設計及應用
張強 林善平 陳志揚 卞堅斌
福建順昌虹潤精密儀器有限公司
引言
隨著生產過程自動化技術的發展,為了保證生產過程安全、可靠的運行,要隨時對生產過程中使用的儀表進行維護和校準。傳統的將生產過程中使用的儀表拿回實驗室進行校準的方法已不能滿足生產的要求,取而代之的是在現場直接對儀表進行校準。
根據這一趨勢,國外許多著名廠商紛紛推出各自的過程校驗儀,如美國福祿克公司的F710系列,日本橫河公司的CA100系列等。這類校驗儀除功能和應用范圍及精度要滿足需求外,同時它還應具有較強的抗環境適應能力。針對這些要求,福建順昌虹潤精密儀器有限公司開發了NHR100工業校準器,該產品通過便捷的面板按鍵操作，可精確的輸出和測量電壓、電流、電阻、溫度、頻率、壓力等過程信號并有智能的輸入、輸出保護功能。產品采用點陣式LCD顯示,單節的9V電池或交流電源適配器供電,防震、防塵、防水濺的結構設計,特別適合在現場對工業控制過程的各類儀表進行校準及維護。下面介紹一下這個產品的設計原理框圖和關鍵技術。
2、NHR過程校驗儀設計原理框圖
NHR100型過程過程校驗儀采用高速、低功耗、高性能的MSP430系列單片機作為中央控制單元，外加鐵電和Flash作為存儲器，還有電源管理電路，精確控制整機功率消耗。
其原理框圖如圖一
圖一
3、系統組成部分：
3.1中央控制器
中央控制單元作為過程校準器的核心，主要完成儀表的控制，運算，顯示，通訊等功能；本過程校準器采用TI超低功耗的MSP430F449系列高性能微處理芯片為作為中央控單元，該器件是具有RISC精簡指令集的16 Bit 強大CPU，16 Bit寄存器和雙16Bit指針結構（數據指針和地址指針），并且結合五個低功耗模式，優化電源管理，延長電池壽命，更加適合便攜式測量應用。
3.2存儲器設備
這里的存儲器設備有EEPROM，鐵電存儲器FRAM和內部Flash、RAM構成。EEPROM主要用來各種信號的分度號表，這些數據在使用時就從EEPROM讀入內部RAM，用于完成溫度的計算；FRAM的特性是功耗低，讀寫速度快，該存儲器用來記錄掉電時的儀表狀態參數，報輸出信號的類型，輸出數據大小等；內部Flash用來存儲過程校準器的校準參數和儀表的設置參數；內部RAM的特點是保持數據需要供電，但讀寫速度非常快，而且幾乎沒有擦寫時間的限制，所以用來作為計算的臨時寄存器。
3.3顯示電路、顯示器
顯示器是交互設備的主體，應該能提供足夠的信息量，便于用戶的操作
具有易讀性和易操作性。本過程校準器采用RA8803作為顯示器的驅動芯片，該芯片具有多達512k的行列映射寄存器，64級的灰度控制，能完成更加豐富的界面顯示。液晶顯示器則采用工業級的，分辨率為320x240的，0.12mm的像素點使得做出來的文字和圖片更加細膩。為能提高可操作性，也可換成多彩屏，甚至是IPS等。
3.4鍵盤輸入及電路
鍵盤是另外一個交互設備，一般是用來給用戶輸入信息：包括設置儀表參數，校準儀表輸入輸出信號等。本過程校準器采用一顆按鍵掃描芯片，可通過串行通信的方式讀取芯片數據，CPU采用中斷的方式讀取掃描芯片的數據，然后完成響應的操作。過程校準器的鍵盤操作分一般操作員操作和工程師操作，通過不同的按鍵組合和密碼來限制、區分不同的操作類型。
3.5模擬輸入、采樣保持及AD部分電路
在模擬測量端為達到0.01%的測量精度，輸入端采用低溫漂的精密電阻，再加上低失調、低漂移的儀用放大器構成其模擬量采樣保持電路，24Bit高分辨率、高速AD芯片進行模數轉換；輸入端只有兩個端子，而輸入端一般有mV、V、mA、Hz和電阻等多種信號，為滿足信號的萬能輸入，模擬開關是必不可少的，在這里可以采用觸點鍍銀的低電壓驅動繼電器，繼電器在導通電阻的大小，導通電阻的熱穩定性對于普通的電子模擬開關具有無可比擬的優勢，減少因為導通電阻而影響測量的準確性和穩定性。
3.6模擬輸出及DA部分電路
過程校準器亦可作為其他儀表的信號源，可以輸出mV、V,Hz,mA和電阻等多種信號,為進行信號類型的切換，模擬開關是必不可少的，在這里可以采用觸點鍍銀的低電壓驅動繼電器，繼電器在導通電阻的大小，導通電阻的熱穩定性對于普通的電子模擬開關具有無可比擬的優勢，減少因為導通電阻而影響輸出信號的準確性和穩定性。同時采用16Bit的DA轉換芯片亦可以滿足0.01%的準確度（理論計算的分辨率為0.0015%），在輸出端可以用運放和其他電子元件構成恒壓或恒流電路，這樣可以增加信號的帶負載能力，
3.7RS232通訊電路
過程校準器多用于自動化系統、過程儀表的故障診斷、校準、檢定，實驗室信號的測量和校準，在生產過程中對各種工業數字顯示儀表或模塊儀表進行模擬信號的校準時，多用手動或自動。手動用按鍵既可以完成操作，而自動化校表則會用電腦（PC機）來完成操作，所以過程校準器多采用RS232通訊，軟件協議可采用ModBus,TrendBus,UT,TCP/IP等多種協議。
3.8電源管理部分
過程校準器可以用鋰電池（8.4V）供電，同時可以用外部電源適配器進行充電。現在多數工業儀表都為三隔離（即輸入、輸出、電源三隔離），所以過程校準器的測量和信號輸出端也應該是電氣隔離的，因此其電源部分也是隔離的，多采用DC DC轉換，輸出多種獨立、隔離的電源供給測量或信號輸出部分電路。當電池過低時，對過程校準器可能造成霧操作，亦有可能對校準器造成損害，所以適當增加電池電壓的監控電路，包括電池的過充和過放電路，這樣有助于延長電池的使用壽命
3.9過程校驗器軟件部分
過程校準器在生產過程和現場使用都很頻繁，其穩定性，可操作性顯得尤為重要。軟件質量和軟件的可靠性是軟件生存的基本條件 ,提高軟件質量是軟件開發過程中的關鍵問題 .提高軟件質量和可靠性通常有兩種方法 :避開錯誤和容錯 .其中容錯問題又是軟件可靠性的核心問題。所以好的軟件應該在錯誤發生時系統不受到影，并且良好的HMI（人機交互）界面是操作者更容易使用，也會更好的減少錯誤的發生。
4、NHR過程校驗儀功能特點
4.1功能
電壓測量/輸出熱電偶、熱電阻測量/輸出
電流測量/輸出脈沖計數
電阻測量/輸出階梯輸出
頻率測量/輸出冷端手動、自動補償選擇
模擬二、三線制變送器輸入熱工手冊
4.2特點
4.2.1手持立式校準儀：
手持式設計使本產品具有應用方式靈活、操作簡便的特點，它可以通過按鍵操作直接進入指定功能區。在工業現場，您可以將NHR-100掛在身邊對各種電氣設備和傳感器進行檢測，給您的現場維護工作帶來便利和方便。
4.2.2信號輸出和測量可同步進行：
在常規檢測中，經常需要多種測量設備組合才能完成對電氣設備的檢測，如信號源、電阻箱和萬用表等。現在，只要用一臺NHR-100過程校驗儀，既能對熱電偶、熱電阻以及電流、電壓等儀表執行常規檢查和維護，又能對變送器、溫度調節器和信號隔離器進行維護和診斷，它為提高您的工作的效率提供了極好的手段。
4.2.3高精度、多功能的源和測量：
對于源單元和測量單元的直流電壓、直流電流具有高精度和高穩定性。可對直流電壓、直流電流、電阻、熱電阻、熱電偶和頻率等進行測量。
4.2.4環路供電：
具備24V配電能力，在向環路供電(最大30mADC)時，能夠測量來自2/3線制變送器的電流信號。
4.2.5查表功能
熱工手冊實現熱偶的毫伏值與溫度值、熱電阻的電阻值與溫度值的快捷互查。
4.2.6智能插孔
在應用校驗儀進行測量和輸出信號時，相對應的表筆插孔導光柱會發出閃光，提示用戶將測試表筆插入該插孔，智能化的提示給您的操作帶來方便。
5、其它功部分介紹
5.1軟硬件的低功耗設計：
NHR100的低功耗設計是一個重要的指標,它直接影響著產品的輸入與輸出精度的測量，硬件設計中盡量選用大規模和低功耗集成電路,微處理器采用內含32KROM和上電復位電路及看門狗定時器的單片機。由于鍵的數量不多,采用直接由I/O口讀鍵的方式;采用128段低功耗LCD顯示驅動器;機內所有運算放大器、基準都采用低功耗的精密器件。對于耗電較大的24V升壓DC/DC電源電路,采用在功能切換或更換量程時自動置為待機狀態,為了節省電池無謂的損耗,設計了自動關機功能。如果用戶10 min之內不對儀表進行操作,它將自動關機,關機后機內的MOS開關管將電池與電路部分斷開,此時電池輸出電流不到2μA,大大延長了電池的使用壽命。
軟件設計中采用微處理器在執行完當前任務后自動進入睡眠狀態,由于微處理器工作期與睡眠期的時間比小于1/100,所以可大大減少功耗。同時由于在睡眠期微處理器對外部的干擾不敏感,這樣可提高儀表的抗干擾性。
5.2面板校準技術
打開工業校準器的電源開關,中央處理器根據面板上的按鍵選擇進入正常工作狀態，然后根據按鍵校準功能鍵選擇輸入、輸出校準,之后進行自檢和初始化,判斷是否有鍵按下,如無鍵操作,處理器進入睡眠狀態,如有鍵按下,喚醒處理器進行鍵分析,轉入相應的鍵執行程序。
為保證儀表的精度指標,在規定的時間內要進行校準。在校準狀態,所有量程校準由機內面板校準軟件完成。校準參數自動存入機內的EEP-ROM內。
6、結束語
對NHR100過程校驗儀校準后,對輸出和輸入檢驗用福祿克1281數字表和5520A標準源進行測量,精度高于0·005%量程,24小時穩定度高于0·001%量程,在溫度實驗箱做0~50℃溫度試驗,輸出和輸入各量程精度均在0·02%量程以內,其溫度影響最大不超過0·001%量程/℃。
通過在現場使用,證明NHR100過程校驗儀穩定、可靠、功能全、精度高,完全滿足在現場對過程儀表進行校準的要求。
