基于LM331集成電路的液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃智亮

摘 要：液壓監(jiān)測(cè)廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及眾多行業(yè)，用高效、準(zhǔn)確的方法采集液壓模擬量尤為重要；文章提出了一種基于LM331集成電路和西門(mén)子PLC結(jié)合的模擬量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：首先簡(jiǎn)單介紹了集成電路LM331 的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)， 然后重點(diǎn)分析了基于LM331的V/F電路的工作原理、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路的硬件設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)；經(jīng)檢驗(yàn)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種液壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)， 具有經(jīng)濟(jì)、高效、實(shí)時(shí)、便捷、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，為液壓監(jiān)測(cè)信號(hào)采集抗干擾問(wèn)題提供了解決方案。

關(guān)鍵詞：液壓監(jiān)測(cè)；CPU226；LM331；高速計(jì)數(shù)器；V/F變換

引言

液壓傳感器是工業(yè)液壓監(jiān)測(cè)中最為常用的一種傳感器，能將液體壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流4～20mA或直流0～10V電信號(hào)輸出，在工業(yè)自動(dòng)控制中通常配合專(zhuān)用模擬量輸入模塊應(yīng)用于可編程序控制系統(tǒng)（PLC）。然而模擬量信號(hào)在傳輸過(guò)程中容易受到數(shù)字量信號(hào)、交流輸入信號(hào)、外部強(qiáng)干擾源等的干擾，模擬量受干擾已經(jīng)成為了自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)難題。基于此筆者提出了一種基于LM331集成電路的液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將液壓傳感器輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速脈沖的數(shù)字量信號(hào)輸出到PLC，既能夠?qū)崿F(xiàn)液壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)有效地解決模擬量抗干擾問(wèn)題。

1 LM331集成電路簡(jiǎn)介

LM331是美國(guó)NS公司生產(chǎn)的性?xún)r(jià)比較高的集成芯片，是一種非常理想的精密電壓/頻率轉(zhuǎn)換器，可用于制作簡(jiǎn)潔、低成本的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。當(dāng)作為壓/頻轉(zhuǎn)換器使用時(shí)，LM331輸出脈沖鏈的頻率精確度與輸入端施加的電壓成比例變化，體現(xiàn)了壓/頻轉(zhuǎn)換器的特有的優(yōu)勢(shì)，可輕松應(yīng)用于所有的標(biāo)準(zhǔn)壓/頻轉(zhuǎn)換場(chǎng)合。LM331為雙列直插式8引腳的芯片，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

LM331各引腳功能如下：管腳1是脈沖電流輸出端，內(nèi)部相當(dāng)于脈沖恒流源；管腳2是用于調(diào)節(jié)輸出端脈沖電流幅度；管腳3是脈沖電壓輸出端OC門(mén)結(jié)構(gòu)，輸出脈沖寬度Tw；管腳7是提供給比較器的基準(zhǔn)電壓；管腳8是工作電壓范圍為4～40V的電源Vcc。LM331集成電路線(xiàn)性度好、外接電路簡(jiǎn)單、非線(xiàn)性失真小、變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12位，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。

2 液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

為了提高模擬量的抗干擾能力和節(jié)約成本，本液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用基于LM331的V/F變換電路作為模擬量采集電路。液壓傳感器將接受到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～10V的直流電壓信號(hào)，直流電壓信號(hào)再通過(guò)V/F變換電路變換為脈沖信號(hào)，PLC接受到脈沖信號(hào)后，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理可采集到液壓的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖2所示，考慮到所選用的PLC有6組高速計(jì)數(shù)器，系統(tǒng)最大可同時(shí)采集6組液壓數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)都是脈沖信號(hào)，可以遠(yuǎn)距離傳輸而不受干擾。

3 液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需使用電壓/頻率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，為了節(jié)約成本，在不犧牲采樣精度的條件下，本系統(tǒng)使用了V/F轉(zhuǎn)換器LM331集成電路芯片組成的A/D轉(zhuǎn)換電路.V/F轉(zhuǎn)換器LM331芯片能夠把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，而且線(xiàn)性度好，經(jīng)過(guò)PLC處理，把頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，可以完成A/D轉(zhuǎn)換。它具有接線(xiàn)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，轉(zhuǎn)換精度高、使用方便等特點(diǎn)。

3.1 模擬量采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)模擬量采集電路設(shè)計(jì)為壓頻轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示，LM331采用單電源供電，電源電壓Vcc為15V，模擬信號(hào)Vin的輸入范圍為0V～10V，模擬信號(hào)Vin通過(guò)LM331芯片進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換后，變成與電壓成正比的頻率信號(hào)fout=（VIN/20.9V）×（RS/RL）×1/RtCt，fout端輸出的頻率信號(hào)送到PLC的計(jì)數(shù)端口，PLC對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)。從而實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

在電源與第7腳之間連接有電阻RIN為100k？贅，因此第7腳的偏置電流將抵消第6腳失調(diào)電流所起的作用，用于減少頻率偏移。連接在第2腳的電阻RS由12k？贅的固定電阻和5k？贅電位器組成，用于調(diào)整LM331的增益偏差及Rt、RL和Ct的偏差。電容CIN作為VIN的濾波器取值為0.1uF，連接在第7腳和地之間，輸出比較器較高的線(xiàn)性度取決于電路中47k？贅的電阻和1uF的電容CL產(chǎn)生的

差效果。電路所有的元器件都選用溫度系數(shù)低，參數(shù)穩(wěn)定的元器件，如金屬膜電阻和陶瓷NPO電容等，能使模擬信號(hào)采集得到最佳效果。

3.2 PLC信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選擇的PLC是西門(mén)子S7-200系列PLC中的典型產(chǎn)品CPU226，其集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)。可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至256路數(shù)字量I/O點(diǎn)或64路模擬量I/O點(diǎn)。24K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。

液壓傳感器模擬量信號(hào)通過(guò)V/F變換電路處理后輸出脈沖信號(hào)是數(shù)字量，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用西門(mén)子CPU226高速計(jì)數(shù)器的輸入點(diǎn)I0.0～I(xiàn)0.5直接采集V/F變換電路的輸出脈沖信號(hào)，進(jìn)而用CPU226程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行處理，信號(hào)采集電路如圖4所示，能較好地解決模擬量在電磁環(huán)境下易受干擾的問(wèn)題。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的可編程序控制器CPU226有HSC0-HSC5共6個(gè)高速計(jì)數(shù)器，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將V/F變換電路的輸出脈沖信號(hào)送入高速計(jì)數(shù)器HSC1的輸入端，用于累計(jì)脈沖數(shù)，，控制高速計(jì)數(shù)器累計(jì)脈沖的時(shí)間通過(guò)設(shè)置定時(shí)中斷的間隔時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)累計(jì)脈沖數(shù)與預(yù)置的間隔時(shí)間，計(jì)算出被測(cè)模擬量值。

以液位測(cè)量為例子，首先把液位設(shè)定在100mm，讀取每100MS的脈沖數(shù)H1，再把液位設(shè)定在200mm，讀取每100MS的脈沖數(shù)H2，通過(guò)公式計(jì)算可以求得每mm對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)X=主程序在第一個(gè)掃描周期調(diào)用初始化子程序SBR0，僅在第一個(gè)掃描周期標(biāo)志位SM01=1。由子程序SBR0實(shí)現(xiàn)初始化。

要使高速計(jì)數(shù)器能正常工作，設(shè)置正確的參數(shù)是關(guān)鍵。首先要激活HSC1，設(shè)置正方向計(jì)數(shù)，可更新預(yù)置值（PV），可更新當(dāng)前值（CV），把高速計(jì)數(shù)器HSC1的控制字節(jié)MB47置為16進(jìn)制數(shù)FC。采集信號(hào)的高速計(jì)數(shù)器不需復(fù)位或啟動(dòng)輸入，也沒(méi)有外部的方向選擇，因此用定義指令HDEF設(shè)置成工作模式0。然后將定時(shí)中斷0間隔時(shí)間SMB34置為100ms，中斷程序0分配給定時(shí)中斷0，并允許中斷，當(dāng)前值SMD48復(fù)位為0，預(yù)置值SMD52置為FFFF（16進(jìn)制）。最后用指令HSC1啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器，每100ms調(diào)用一次中斷程序0，讀出高速計(jì)數(shù)器的數(shù)值后，將其置零，通過(guò)HSC1計(jì)數(shù)值及變換關(guān)系來(lái)求被測(cè)的液位值。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于LM331集成電路的液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用LM331實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，具有電路簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、抗干擾性強(qiáng)，運(yùn)行可靠并且轉(zhuǎn)換位數(shù)可調(diào)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以節(jié)省大量的成本， 因此在液壓監(jiān)測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)然， 基于LM331集成電路的液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只是液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一種， 使用者可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、精度的要求和成本的控制來(lái)選擇合適的液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

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