数控多路超低频运行试验信号源研制

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Study of Numerical Control Muliti-channel Ultra-Low Frequency Signal SourceLI Da-wei，MA Qing(Lanzhou LS Heavy Equipment Co.，Ltd.，Test Center，Lanzhou 730050，China)Abstract：A design requirements was introduced according to the maintenance of electron automatic potentiometer inthis paper，moreover，based principle of concise and economy.The scheme to use the STC MCU as core，LCD menuand setting，independent DA output.Given and analyzed the hardware circuit diagram and software flow diagram，intro-duced the debugging process.Through the test results and actual useing，prove that thiS instrument to achieve thegoals of design and suitable for the enterprise measurement and repair work。

Key words：electron automatic potentiometer；running test；MCU；signal source电子 自动电位差计是利用补偿原理进行测量的自动化仪表，可连续显示和记录被测量参数变化情况。在热加工、热处理等工业生产中有着十分广泛的应用，其记录曲线是产品质量控制的重要依据。

检定规程(JJG74-2005)[1中规定 ：对于常用的0.5级仪表.记录基本误差为 0.5%，允许回程误差为0.25%(长图)和0.5%(圆图)；运行中记录纸不得脱出、歪斜、褶皱等；并规定新制和修理后的仪表必须进行 24 h连续运行试验，以观察记录曲线是否正常。为此需为被测仪表提供6组(0～60)mV可调信号 ，模拟(0～1300)℃的电偶输入 ，进行-段时 间运行后通过观察其记录曲线来判断仪表记录功能是否合格，同时可根据曲线形态的异常对仪表故障进行分析诊断。因此检修丁作需配备能提供 6路同时输出、独立调节的多功能超低频毫伏信号发生器用于模拟现场元件信号。

本机的设计以满足检定及使用需求为基础，可靠易用为原则.适用于长图圆图等各种形式的记录仪。具备基本功能的同时扩展超低频二角波(折线)和正弦波(曲线)两种动态输出方式，做到全量程测试，使模拟更加接近实际工况，记录曲线更加准确可靠，便于故障的发现和分析。同时本机采取数控与收稿 日期 ：2012-09-14：修订 Et期 ：2012-11-l5作者简介：李大为(1974-)，男，工程师，研究方向为仪表技术；马庆(1964-)，男，高级工程师，研究方向为实验拳技术管理。

田 Automation＆Instrumentation 2013f2)液晶显示、菜单设置的方式，操作简单直观；加入计时及控制报警功能。保证仪器在无人值守运行时安全可靠的工作。

1 原理分析及方案确立1.1 系统结构本机采取单片机控制、按键输入、液晶状态信息显示，LED辅助显示 ，DA毫伏信号输出，继电器控制方式。基本结构原理如图 1所示。

设定运 - 多级菜单交互式设 - 工作状态显示行参数 置 12864液晶显示 (计时、输出状态)(按键选 (计时模式、-2 控制信号 择式输入) - 运行输出模式)I (断电及报警)计算确定实时值运行信号 (单片机程序根据初 -- 数字信号输出- 输出 始参数及模式计算) (六路毫伏 (10口输出二进制信号) 电压信号) -1 i 片图 1 系 统 框 图Fig.1 System diagram系统以51单片机为核心，由按键进行参数设置，经数模转换器将二进制脉冲转换为模拟电压输出；液晶屏进行菜单及参数状态等的显示；同时提供-个信号电平输出控制继电器的通断以完成 自动断电和报警等辅助功能。

1.2 功能特点(1)两组、六路毫伏信号并行输出；(2)可根据设定的最大、最小值自动计算各路输出；(3)六路输出可独立调节；(4)定时运行时间(0～99)h，精确至分钟 ；(5)恒定值 、三角波、正弦波三种信号输出方式；(6)LED辅助设定及状态指示；(7)运行结束时报警并切断仪器电源，停止运行；(8)运行结束后统计显示本次运行时间；(9)具备 ISP接口，方便误差修正及程序升级。

1.3 性能参数电源 ：220V交流调节方式：四按键 ，屏显交互式显示方式：12864 LCD结合 LED状态指示量程 ：(O～60)mV调节分辨力：0.1 mV准确度(误差)：≤±0.1 mV稳定性(漂移)：≤±0.005 mV输出模式：自动区间，独立调节，动态(正弦、三自动亿与仪表 2013(2)角波)计时范围：(0～99)h，精确到分钟控制及报警方式：继电隔离 5A250V；声光报警2 选型与设计本机的系统构成主要包括单片机、数模转换、液晶显示、电源及控制、软件程序五个部分。元器件选型遵循性能稳定、经济合理的原则。

2.1 单片机系统MCU选用兼容传统 8051指令的 12T单片机STC89C516RD。该型单片机内建 64 Kflash存储，具备ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)功能，脚位及时钟均可兼容传统 8051单片机圆。

2.2 数模转换及电压基准数模转换芯片(D/A)选用 TI公司 10 bit(12 bit输入)，电压型串行数模转换器 TLC5615C，它具有单电源供电：可三线串行连接：输出建立时间短(12.5 tzs)；内部上电复位；低功耗(最大 1.75 mW)的优良特性。本机采用六片以菊花链形式连接。

电压基准选用高精度 串联型电压基准芯片ref3112，其稳定性参数为 15 ppm/C.与TLC5615C的稳定度典型值 3 ppm/%叠加，不超过 20 ppm/，满足系统要求。

2.3 液晶显示系统液晶屏选用中显 ZXM12864D1型宽屏无字库128X64点阵 LCD拈 ，$6B0108驱动 ，5 V供电，8位并行 IO，自带负压，LED背光，具有性价比高、显示范围大等特点3J。

2.4 电源及控制系统主要拈采用统-5 V供电，使用 7805稳压方案；继电器控制输出部分采用光耦隔离，NPN管驱动的方案，减小干扰，提高供电的稳定性[4。为提高供电质量及方便安装及调试。整机电源与控制部分单独设计。

2.5 程序流程本机程序为 C语言编写，由IO定义、点阵字库、键控、DA控制、屏幕驱动、菜单、延时、报警等程序拈构成，以中断控制切换 CPU合理分配资源的思路编程。

2.6 电路原理系统整机设计以简洁为原则.能用软件实现的功能尽量不使用硬件。主机硬件电路主要包括单片田 图 2 电路 原 理 图Fig.2 Circuit schematic sheet3 调试调试方法：采用 Proteus 7和 Keil uVision4软件进行电路仿真和程序联调5，后期利用单片机的ISP功能对实机进行在线调试及误差修正。

调试基准采用 ZH553F-1型多功能过程信号校测仪。测试精度 0.1级，毫伏档最大量程 100mV。

表 1 供 电及基准性能Tab.1 Stability of power supply and reference电源、基准源稳定性测试.单位：VDA基准的标定：进入独立设置模式，将第-路输出设为最大值 6O mV，调整 RV2使实际输出为60.004 mV。受基准分压电位器的分辨力及精度影响，需多次反复调节至最佳(最接近60 mV)。

整体功能及输出测试 ：调试后各关键点误差测量结果如表 2所示。

表 2 等分点误差Tab.2 Divide error 自动区间模式输出测试(Voutll，Vout690)，单位：mV通坦- 函 --- 百--田4 结语本仪器属于计量检修丁作中使 的特殊辅助设备，根据使用要求，输出稳定性是最重要的指标 ，因此元件的选型必须采用超低温漂的基准元件和分电阻.同时在线路设计时应采取相应措施以减少十扰。设计使用了6片独立 DA输出的方案，由于芯片本身的线性误差及芯片参数 的制造差异 ，增加了后期误差修正的工作量，为此在满足设计要求的前提下采取定点标定，函数补偿的方法对误差与线性度同时修正 设计与制造过程中尽量使用现有及通用器件 .同时简化硬件电路，以软件优先为原则。利用数显温控仪外壳改造壳体，达到经济实用的目的。

本设备调试完成后经多次试用，不断调试改进，其性能与功能均达到设计要求，目前已正式用于本单位的计量检修工作，满足了使用需求，提高了丁作效率与质量。在工业生产中，常需要使用-些具有特殊功能及性能的专用辅助设备 ，利用单位 自身的资源进行自主设计制造不仅具有经济实用的特点，也便于使仪器的功能和性能更好地契合工作实际，同时也是提高员工技术水平，促进学习创新的有效手段。