基于单片机的频率/电流变送器

王坚

（海安县远志软件工作室 江苏 海安 226600）

频率/电流变送器（以下简称“变送器”）广泛应用于工业自动化测控领域，传统的变送器常由频率/电压专用模拟芯片构成，如LM331、LM2907等。对于不同的频率量程，这类变送器需要调整电路参数，给生产和使用带来了不便。在低频段，为了减少纹波输出，这类变送器需要采用时间常数较大的RC滤波电路，因而，响应速度较慢，难以保证足够的精度。速度、线速度、流量等与频率相关的物理量，其频率通常处于0～20 kHz频段，当其频率低至20 Hz时，能否实现频率到电流的精确转换将成为无法回避的问题。

文中结合实际应用，从精度和响应速度入手，提出基于AT89S52单片机的变送器设计思路，即利用单片机自带的2路定时/计数器，运用同步M/T法对信号的频率进行精确测量，再把频率值通过高分辨率的DAC转换输出。这种方法，可以保证在整个测量频段，变送器有着一致的精度和响应速度。

1 拟定变送器的技术指标

结合实际应用，拟定变送器的技术指标为：

1）频率范围：0.5 Hz～10 kHz；

2）采样周期：0.01～2 s；

3）误差：绝对误差小于0.01 mA，相对误差小于0.2%。

2 系统硬件设计

2.1 同步M/T法测频

M法测频是测量单位时间内的脉冲数，存在±1个信号脉冲的误差，宜测量高频率。T法测频是测量两个脉冲之间的时间，存在±1个标准时间单位的误差，宜测量低频率。同步M/T法是多周期测频，它的闸门开关与被测信号的边沿同步，不存在被测信号的计数误差，只存在标准时间的±1误差，在整个频率段，同步M/T法测频精度相同。提高标准时间的频率可提高测量精度。

同步M/T法测频原理如图1所示。测量时，先打开参考闸门，通过同步检测器检测被测信号的上升沿，在上升沿时刻打开实际闸门，两路计数器对被测信号和标准时间计数；在参考闸门关闭时，再次通过同步检测器检测被测信号上升沿，在上升沿时刻关闭实际闸门，停止对被测信号和标准时间计数。同步M/T法的实际闸门时间与参考闸门时间存在差值，最大不超过一个被测信号周期[1]。

被测信号频率fx=f0×N/n

其中：f0为标准时间频率；N为被测信号的计数值；n为标准时间的计数值。

图1 M/T法测频原理Fig.1 M/T frequency measurement principle

2.2 系统硬件结构

系统结构如图2所示。主要由AT89S52单片机、M/T测频电路、D/A转换器、RS232通讯接口等电路组成。单片机工作频率为11.059 2 MHz，它与M/T测频电路完成频率的测量，频率值由DAC转换成模拟电压，再经AD694转换成4～20 mA标准电流信号输出。RS232接口用于和电脑通讯，实现系统的参数设置。

2.3 M/T法测频电路

原理图如图3所示。74LS74双D触发器构成同步检测器，其Q端为实际闸门，单片机的P14端为参考闸门，P10端为同步检测器的复位控制。单片机T0定时/计数器工作在模式1、计数器方式。配置GATE=1，T0是否计数取决于INT0引脚的信号，INT0由0变1时，开始计数，由1变0时，停止计数，这样，就可以测量实际闸门打开时被测信号的脉冲数。T1定时/计数器工作在模式1、定时器方式，定时器信号频率为振荡器频率的1/12，即0.921 6 MHz。配置GATE=1，T1是否计数取决于INT1引脚的信号，利用INT1引脚测量实际闸门打开时标准时间的脉冲数。

图3 M/T法测频电路Fig.3 M/T frequency measurement circuit

2.4 D/A转换电路

原理图如图4所示。为了保证足够的精度和分辨率，系统采用TI公司生产的12位D/A转换器TLC5618，与单片机之间采用SPI连接方式，由OUTA输出模拟信号。基准电压由TL431分压提供，其值约为2 V。D/A转换器的分辨率决定了变送器的分辨率，该变送器的分辨率为：频率量程/4 095。

图4 D/A转换电路Fig.4 D/A conversion circuit

限于篇幅，其他电路较为简单，在此不作介绍。

3 系统软件设计

系统软件采用模块化设计，流程如图5所示。由主程序、M/T法测频、DAC输出、RS232接口、SPROM存储等部分组成，软件采用Keil uVision2软件编写。

DAC输出子程序中，D/A转换器的数字量=（实际频率值/量程值）×4 095。由该公式可以看出，对于不同频率的变送器，只需改变其量程值，就可实现4～20 mA电流输出。软件中采用浮点数进行运算，为防止送入D/A转换器的数据溢出，导致转换错误，需对转换值进行限值，即大于4 095时，以4 095转换输出，用作超量程报警指示。

变送器没有配置键盘输入，因此变送器的参数设置由电脑通过RS232接口完成。上位机软件采用Delphi5.0编写，图6是转速/电流变送器软件设置界面，完成转速量程、转速传感器齿数、采样周期等参数的设置。当转速传感器齿数为60时，转速信号的频率值与转速值相等。

图5 软件流程图Fig.5 Software folw diagram

图6 转速/电流变送器设置界面Fig.6 Interface of speed/current transmitter settigs

4 实 验

在实验室用频率信号进行实验，变送器采样周期设为100 ms，标定频率 0～10 kHz对应输出电流 4～20 mA，测得 10组数据，结果如表1所示。可以看出，在0～10 kHz频段，绝对误差不大于0.005 mA，相对误差小于0.1%，技术指标达到了设计要求。

表1 变送器测试数据及误差计算Tab.1 Transmitter test data and error calculation

5 结 论

文中介绍的变送器，采用单片机系统实现了频率到电流的转换，整个设计达到了拟定要求。尤其在低频段，有着很高的转换精度，弥补了模拟型变送器的不足。该变送器通过电脑完成参数设置[8]，节省了系统的硬件资源，提高了系统的可靠性，更改频率量程时，不需要因为量程的改变而重新校准4～20 mA输出，具有良好的通用性。

D/A转换器的分辨率决定了变送器的分辨率，从而决定了变送器的转换精度。为了保证足够的转换精度，该变送器宜工作在0～20 kHz频段，如需进一步拓展频率上限，需采用更高分辨率的D/A转换器。

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