电潜泵测试仪的电流信号发生器设计*

叶 欣 李婷兰 徐晶晶 刘军宁

(1.光电油气测井与检测教育部重点实验室 西安石油大学 710065;2.大庆钻探工程公司地质录井一公司 大庆 163411)

0 引 言

工业上普遍需要测量各类非电物理量，如温度、压力和振动等，将采集得到的数字信号进行现场处理。若需要将信号长距离传输至控制柜或者显示设备，此时要把数字信号转化为电流信号。电流信号由于其极强的抗干扰能力和低功耗，在工业测量和控制过程中得到了广泛应用。本文结合电潜泵测试仪，提出基于TLV5637 的毫安级电流信号发生器设计方法。TLV5637 是TI 公司的一款双通道10 位电压输出D/A 转换器件，具有操作简单，成本低等优势。本文设计的电流信号发生器结构简单、成本低，适用领域广，有很好的通用性。

1 系统整体设计

基于TLV5637 的数字信号转电流信号发生器，硬件结构简单，易于调试。本系统硬件部分主要由微控制器、D/A转换芯片，以及电流环电路组成。总体框图如图1 所示。系统分为2 个模块部分，包括MCU 与TLV5637 接口电路和模拟电流环电路。D/A 转换芯片将原始数字信号转换为模拟电压信号，电流环电路部分实现电压信号转电流信号功能。结合工程实际，本文采用AT89C51 控制I/O 口模拟SPI 总线通信控制TLV5637，系统软件实行模块化编写，易于移植和调用。

图1 系统整体框图

2 系统硬件设计

2.1 TLV5637 与单片机的SPI 接口设计

图2 为系统DA 转换模块的硬件接口连接示意图。结合系统实际，为了隔离工频干扰以及提高数字信号传输的可靠性，系统采用TLP521 光电耦合器件将微控制器和D/A 转换芯片进行有效的电气隔离，增强系统的可靠性。

图2 TLV5637 和AT89C51 接口连接图

图中DIN、SCLK 和CS 等3 个信号线通过TLP521 分别与单片机的P1.5、P1.6、P1.7 相连，OUTA、OUTB 为模拟电压输出端。电阻R5 分压为芯片提供参考电压，参考电压的大小决定满量程模拟输出电压的大小。输出电压的幅度由下式决定:

CODE 为所写入的电压数据值，REF 为所设定的参考电压。此外，在写入电压数据时，12 位的数据只保持高10位有效，低2 位被忽略。

TLV5637 只支持16 位的数据格式，16 位的数据包含两个部分:编程位和数据位。高4 位分别为R1、SPD、PWR 和R0 编程控制位。SPD 为速度控制位，1 表示快速，0 表示慢速;PWR 为工作模式控制位，1 表示掉电模式，0 表示工作模式;R1 和R0 为寄存器选择位，其写入选择表如表1所示［1］。

表1 TLV5637 的寄存器写入选择

10 位数据位确定一个新的DAC 值。12 位数据位中，D1 和D0 组合位决定芯片参考电压的来源，其中“00”或“11”均表示参考电压取自外部REF 引脚，“01”表示采用内部参考电压1.024 V，“10”表示采用内部参考电压2.048 V。图3 为TLV5637 编程时序图，数据采样均在SCLK时钟的下降沿发生。

图3 TLV5637 编程时序图

2.2 电流环电路设计

在大多数应用场合，尤其是工业应用环境，电流信号通常是优先考虑的信号传输方式。由于这种信号方式传输的距离长，且不需考虑噪声、线长、压降和线路阻抗等的影响，从而使电路传输性能大大提高。电流环电路原理图如图4所示。电路采用LM324 和LM358 级联后接一个复合型PNP 管搭成。A1，A2 为LM324 的两个运算放大器，A3 为LM358 运算放大器。LM324 是带有差动输入的通用放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。差分输入具有很强的抑制共模信号的能力，可以有效克服温度漂移问题。LM358 内部包含两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。A1 运算放大器的输出端反馈到反相输入端，构成一个电压跟随器，实现阻抗变换。A2 的同相输入端偏置为2.5 V，利用连个相等的电阻R3、R4 实现一个求差电路。电流环电路尾部由一个PNP 与NPN 型组成一个PNP 复合管，复合管的共射级电流放大倍数为两个BJT 管子共射级电流放大倍数之积。复合管基极与运算放大器A3 的输出端相连，可输出和输入电压成线性比例关系的电流信号，并具有相当高的精确度。

图4 电流环电路原理图

3 软件设计

本系统软件主要是由C 语言编程实现，采用GPIO 口模拟SPI 通信的方式，实现微控制器对TLV5637 的访问。根据实际工程，主控器采用AT89C51 单片机，该芯片是一个带有4 K 字节Flash 存储器的低电压、高性能的CMOS 微控制器。AT89C51 为很多微控制器提供了一种灵活而且廉价的方案。图5 为单片机GPIO 口模拟SPI 通信向TLV5637 写入一个16 位数据的程序流程图。单片机首先拉低CS 引脚选定片选信号，置高SCLK 信号后向DIN 发送一位数据信号，再置低SCLK 信号，数据在SCLK 下降沿保持有效即可。按时间顺序，依次由高到低串行输入16 位数据。

图5 写入一个数据的程序流程图

根据整形数据发送流程图，发送数据的实现代码如下:

DA 转换子程序代码如下:

上述的发送数据代码，只需稍加修改，可有效移植到51 单片机对各种SPI 串行通信器件控制或者其他微控制器对TLV5637 控制程序中。但是修改过程中需要注意不同器件的延时要求，保证器件的信号建立和保持的时间满足时序要求。

4 实验结果

根据上述方法，本实验选用外部1.25 V 参考电压，运放LM324 和LM358，2SC2655 和2N5401 组成PNP 复合管来构成电流信号发生器。经过实验测试，可以产生高线性度，长期工作稳定的毫安级电流信号，其精度在误差范围内，符合潜油电泵测试仪对输出电流信号的要求。实验的输入数字信号和测得的输出电流信号结果如表2 所示。

表2 基于TLV5637 的电流信号发生器实验结果

5 结 论

本文提出了基于TLV5637 的电流信号发生器设计，利用AT89C51 的GPIO 口模拟SPI 通信，实现串行对D/A 转换芯片TLV5637 的控制访问。将数字信号转换为模拟电压信号后，电流环电路模块将模拟电压信号再转换为电流信号。该方法具有一定的普遍意义，稍加改动即可应用于各类测试系统。其中微控制器模拟SPI 通信也有较高的通用性，可以移植到各类微控制器中。多次实验证明，该设计可靠可行，并具有较高的精确度。

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