[0001]技术领域
[0002]本申请涉及变送器技术领域，特别是指一种压力变送器。
[0003]背景技术
[0004]自动化仪表领域广泛采用传统的4～20mA DC(Direct Current，直流)模拟直流环路信号传输技术，该信号的优点很多，采用电流信号传输、可靠性强、精度高、信号不易衰减、传输距离远、抗干扰性能好、容易做到本安防爆、并且容易发现断路故障，甚至可以由此电流驱动仪表自身等，因此尽管在数字传输技术高度发达的今天，仍大量应用于石化、电力、钢铁、机械、汽车、工业设备、仪器仪表等各行各业。
[0005]压力是工业及测控领域需要大量测量及处理的物理信号，而压力变送器是测量及传送该物理信号的常用仪表。现有的压力变送器大都采用单路4～20mA输出信号且无自检测功能，缺陷是其一，输入信号只对应一路输出，当由于故障原因导致信号失效时，接收设备无法确认信号的真实性，或者无法再及时获取真实的数据，从而导致系统故障甚至重大事故；其二，一路信号带负载能力有限，限制了其多点输送能力。
[0006]发明内容
[0007]为解决上述技术缺陷，本申请实施例提供一种能够判断输出信号正确性，负载能力高的压力变送器。
[0008]根据本申请实施例，提供一种压力变送器，包括微控制器、压力传感器、第一信号调理器和第二信号调理器，其中：
[0009]所述微控制器的第一通信端口连接所述第一信号调理器的通信端口，所述微控制器的第二通信端口连接所述第二信号调理器的通信端口，所述微控制器获取所述压力传感器的输出信号后产生两组互补的控制信号分别传输给所述第一信号调理器和第二信号调理器，使所述第一信号调理器和第二信号调理器输出互补的电流信号；
[0010]所述第一信号调理器的输出端经第一反馈电阻后用于连接第一负载电阻后接负电压，所述第一信号调理器连接有第一回馈检测电路，所述第一回馈检测电路的输入端连接至所述第一反馈电阻和第一负载电阻之间，所述第一回馈检测电路的输出端连接所述第一信号调理器的第一模拟量输入端口；
[0011]所述第二信号调理器的输出端经第二反馈电阻后用于连接第二负载电阻后接负电压，所述第二信号调理器连接有第二回馈检测电路，所述第二回馈检测电路的输入端连接至所述第二反馈电阻和第二负载电阻之间，所述第二回馈检测电路的输出端连接所述第二信号调理器的模拟量输入端口。
[0012]本申请实施例提供的压力变送器，一方面，增加了一路20～4mA互补输出，该输出既可以供给另外一路设备，也可以作为同一路信号的冗余信号，不仅增加了输出数量，还提高了信号的可靠性；另一方面，每一路输出都可以检测是否与设定值一致，传统的单路4～20mA输出无法确定输出的电流值是否正确，本申请对每一路输出都增加了回馈检测电路，微控制器籍此可以判断每一路输出信号的准确性，输出值与设定值有差异时，可以对每一路输出信号作计算及输出修正，无法修正时可以作故障报警处理，极大提高了压力变送器输出信号的可靠性与带负载能力。
[0013]附图说明
[0014]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0015]图1为本申请实施例提供的压力变送器的电路连接示意图。
[0016]具体实施方式
[0017]为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0018]本申请实施例提供一种压力变送器，如图1所示，包括微控制器2、压力传感器5、第一信号调理器6和第二信号调理器10，其中：
[0019]微控制器2的第一通信端口(图中所示实施例为SPI(Serial PeripheralInterface，串行外设接口)端口1)连接第一信号调理器6的通信端口(SPI端口)，微控制器2的第二通信端口(SPI端口2)连接第二信号调理器10的通信端口(SPI端口)，微控制器2获取压力传感器5的输出信号后产生两组互补的控制信号分别传输给第一信号调理器6和第二信号调理器10，使第一信号调理器6和第二信号调理器10输出互补的电流信号；
[0020]第一信号调理器6的输出端(OUT1)经第一反馈电阻R3后用于连接第一负载电阻RL1后接负电压(图中所示实施例为24V-)，第一信号调理器6连接有第一回馈检测电路30，第一回馈检测电路30的输入端连接至第一反馈电阻R3和第一负载电阻RL1之间，第一回馈检测电路30的输出端连接第一信号调理器6的第一模拟量输入端口(AD端口1)；
[0021]第二信号调理器10的输出端(OUT2)经第二反馈电阻R8后用于连接第二负载电阻RL2后接负电压(图中所示实施例为24V-)，第二信号调理器10连接有第二回馈检测电路40，第二回馈检测电路40的输入端连接至第二反馈电阻R8和第二负载电阻RL2之间，第二回馈检测电路40的输出端连接第二信号调理器10的模拟量输入端口(AD端口2)。
[0022]工作时，微控制器2获取压力传感器5的输出信号(具体可以为采样信号)后，可以根据压力传感器5的量程数据与校验数据经拟合计算，得到两组互补的4～20mA与20～4mA设定输出数据作为控制信号，经通信端口(具体可以为SPI端口)分别送至第一信号调理器6和第二信号调理器10，控制两个信号调理器输出互补的电流信号。
[0023]本申请实施例提供的压力变送器，一方面，增加了一路20～4mA互补输出，该输出既可以供给另外一路设备，也可以作为同一路信号的冗余信号，不仅增加了输出数量，还提高了信号的可靠性；另一方面，每一路输出都可以检测是否与设定值一致，传统的单路4～20mA输出无法确定输出的电流值是否正确，本申请对每一路输出都增加了回馈检测电路，微控制器籍此可以判断每一路输出信号的准确性，输出值与设定值有差异时，可以对每一路输出信号作计算及输出修正，无法修正时可以作故障报警处理，极大提高了压力变送器输出信号的可靠性与带负载能力。因此，本申请实施例提供了一种带自检测的4～20mA/20～4mA隔离双路互补冗余输出压力变送器，能够判断输出信号的正确性，负载能力高。
[0024]本申请实施例中，压力变送器还可以包括隔离电源模块1(具体可以为24V/3.3V隔离电源模块)，隔离电源模块1包括相互隔离的至少两个供电输出端，其中一个供电输出端(具体可以为24V+供电端)连接第一信号调理器6和第二信号调理器10，另一个供电输出端(具体可以为3.3V供电端)连接微控制器2。图中所示实施例中，负电压24V-也可以由该隔离电源模块1提供。进一步的，微控制器2的第一通信端口(SPI端口1)和第一信号调理器6的通信端口(SPI端口)之间可以设有数字隔离器4；微控制器2的第二通信端口(SPI端口2)和第二信号调理器10的通信端口(SPI端口)之间可以设有数字隔离器3。
[0025]由于4～20mA与20～4mA电流变化在负载电阻RL1与RL2上产生的压降会导致第一信号调理器6和第二信号调理器10之间的电压相对变化，本实施例通过采用隔离电源模块1单独给微控制器2供电及数字隔离器3、4隔离数字SPI信号，实现微控制器数字电路与输出电路隔离，由此避免了微控制器数字电路对输出电路引起的干扰，提高了整体电路的稳定性和可靠性。
[0026]本申请实施例中，微控制器2获取压力传感器5的输出信号可以采用各种方式，例如压力传感器的输出端直接连接在微控制器上，然而考虑到微控制器可能没有模拟量输入端口或是该端口数量有限，以及为提高电路整体工作效率，压力传感器的输出端优选连接在其中一个信号调理器上，在图中所示实施例中，优选采用以下方式：
[0027]第一信号调理器6的激励信号输出端连接压力传感器5的输入端，压力传感器5的输出端连接第一信号调理器6的第二模拟量输入端口(AD端口2)，压力传感器5和第一信号调理器6共地。
[0028]本实施例中，第一信号调理器6负责4～20mA信号输出的同时，还负责压力传感器5的电激励与信号AD(模数转换)采样；微控制器2控制第一信号调理器6发送给压力传感器5的激励信号，将压力传感器5的输出信号经第一信号调理器6的AD端口2采集并读至微控制器2。第二信号调理器10负责另一路互补信号20～4mA的输出。
[0029]为方便对两个信号调理器进行供电，压力变送器还可以包括第一NPN晶体管Q1和第二NPN晶体管Q2，其中：
[0030]第一NPN晶体管Q1的基极连接第一信号调理器6的JFET控制器输出端VGATE1，发射极连接第一信号调理器6的电源端AVDD1，集电极连接正电压(图中所示实施例为24V+)；
[0031]第二NPN晶体管Q2的基极连接第二信号调理器10的JFET控制器输出端VGATE2，发射极连接第二信号调理器10的电源端AVDD2，集电极连接正电压(图中所示实施例为24V+)。
[0032]这样，NPN晶体管Q1和Q2用于第一信号调理器6和第二信号调理器10内部工作电压AVDD1和AVDD2的产生。
[0033]为使两个信号调理器能够进行稳定的电流输出，压力变送器还可以包括第三NPN晶体管Q3和第四NPN晶体管Q4，其中：
[0034]第三NPN晶体管Q3的基极经电阻R1连接第一信号调理器6的输出端OUT1，集电极连接正电压24V+，发射极经第一分压电阻R2后再依次经第一反馈电阻R3(具体可以为高精度50欧姆电阻)和第一负载电阻RL1后接负电压24V-；
[0035]第四NPN晶体管Q4的基极经电阻R6连接第二信号调理器10的输出端OUT2，集电极连接正电压24V+，发射极经第二分压电阻R7后再依次经第二反馈电阻R8(具体可以为高精度50欧姆电阻)和第二负载电阻RL2后接负电压24V-。
[0036]这样，NPN晶体管Q3、电阻R1、R2及R3与第一信号调理器6内部电路实现了电压/4～20mA电流转换功能，NPN晶体管Q4、电阻R6、R7及R8与第二信号调理器10内部电路实现了电压/20～4mA电流转换功能。第一信号调理器6和第二信号调理器10的输出端分别控制NPN晶体管Q3和Q4即可实现稳定的电流输出。
[0037]为从反馈电阻处获得更为准确的反馈电压，第一信号调理器6的接地端GND1连接至第一分压电阻R2和第一反馈电阻R3之间，第二信号调理器10的接地端GND2连接至第二分压电阻R7和第二反馈电阻R8之间；并且，第一信号调理器6的环路端LOOPN1连接至第一反馈电阻R3和第一负载电阻RL1之间，第二信号调理器10的环路端LOOPN2连接至第二反馈电阻R8和第二负载电阻RL2之间。
[0038]本申请实施例中，回馈检测电路可以采用本领域技术人员容易想到的各种方式，为方便实施，优选采用以下方式：
[0039]第一回馈检测电路30优选包括第一运算放大器8和第二运算放大器7，第一运算放大器8和第二运算放大器7均为双电源供电，其中：
[0040]第一运算放大器8的同相输入端连接至第一反馈电阻R3和第一负载电阻RL1之间，反相输入端连接第一运算放大器8的输出端，输出端经电阻R5连接第二运算放大器7的反相输入端；
[0041]第二运算放大器7的同相输入端接地，反相输入端经电阻R4连接第二运算放大器7的输出端，输出端连接第一信号调理器6的第一模拟量输入端口(AD端口1)。
[0042]第二回馈检测电路40优选包括第三运算放大器12和第四运算放大器11，第三运算放大器12和第四运算放大器11均为双电源供电，其中：
[0043]第三运算放大器12的同相输入端连接至第二反馈电阻R8和第二负载电阻RL2之间，反相输入端连接第三运算放大器12的输出端，输出端经电阻R10连接第四运算放大器11的反相输入端；
[0044]第四运算放大器11的同相输入端接地，反相输入端经电阻R9连接第四运算放大器11的输出端，输出端连接第二信号调理器10的模拟量输入端口(AD端口2)。
[0045]4～20mA电流会在反馈电阻R3、R8(具体可以为50欧姆电阻)上产生0.2～1V的负电压，通过回馈检测该电压可以检查输出电流与微控制器的设定电流是否一致，从而判断是否有故障发生。这个负电压超过了信号调理器6、10的AD端口检测范围，为此各运算放大器采用双电源供电，运算放大器8、12用作反馈电阻负电压的跟随器，再经过用作极性反相器的运算放大器7、11，变成信号调理器6、10的AD端口可以检测的正极性电压。这里的电阻R4、R5、R9、R10用于信号的极性反相。
[0046]为方便对各运算放大器进行双电源供电，优选采用以下方式：
[0047]第一信号调理器6的电源端AVDD1分别连接第一运算放大器8和第二运算放大器7的正电源端，第一信号调理器6的电源端AVDD1经电源极性反转器9后分别连接第一运算放大器8和第二运算放大器7的负电源端；
[0048]第二信号调理器10的电源端AVDD2分别连接第三运算放大器12和第四运算放大器11的正电源端，第二信号调理器10的电源端AVDD2经电源极性反转器13后分别连接第三运算放大器12和第四运算放大器11的负电源端。
[0049]这样，采用两个电源极性反转器9、13分别产生负电源电压-AVDD1、-AVDD2，作为运算放大器7、8、11、12的负电源，实现双电源供电。
[0050]本申请实施例中，微控制器2的第三通信端口(图中所示实施例为UART(UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器)端口)可以连接有PC-485通信器14，以与电脑通信。此外，还可以通过电脑调试软件对压力传感器5的采集数据进行线性化及温度补偿等操作处理，使得两路互补的4～20mA与20～4mA输出信号与压力值精确对应。本实施例采用上位机(如电脑)校验软件配合底层算法对变送器进行校准。信号调理器6、10可以输出高精度的传感器激励信号，AD与DA位数高达24位与16位，运算放大器7、8、11、12可以采用圣邦微电子(北京)股份有限公司的SGM8249，其输入失调电压仅为10uV，R3、R4、R5、R8、R9、R10采用高精度电阻，这样在硬件上就能保证一定的高精度。
[0051]上位机负责对底层数据的监测操作及维护功能。底层算法可以分为两部分，其一是对传感器采集数据作线性化等补偿功能，并校准DA输出，线性化等补偿可以采用10％间隔采集点，每相邻三点作一次二阶非线性补偿；其二是通过运算放大器7、8、11、12组成的数据反馈电路，将4～20mA与20～4mA信号采集并反馈至DA输入端，作闭环校正，进一步提高输出精度及作为故障诊断用，通过比较DA设置输出参数与实际参数的差值，经PID调节，可消除输出误差。通过这些硬件与软件的工作，在传感器全量程范围内，基本精度可保证在±0.1％以内，线性可保证在±0.05％以内。
[0052]本申请实施例中，微控制器2可以采用兆易创新科技集团股份有限公司的GD32F101芯片，一方面是其基于 内核，功能强大，另一方面是它拥有多达3个SPI端口，其中两个可以用来控制信号调理器6、10。信号调理器6、10可以采用苏州纳芯微电子股份有限公司的NSA2860芯片。电源极性反转器9、13可以采用ICL7660芯片。
[0053]术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0054]尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
[0055]显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
