随着生产过程自动化技术的发展,为了保证生产过程安全、可靠的运行,要随时对生产过程中使用的仪表进行维护和校准。传统的将生产过程中使用的仪表拿回实验室进行校准的方法已不能满足生产的要求,取而代之的是在现场直接对仪表进行校准。
根据这一趋势,国外许多著名厂商纷纷推出各自的过程校验仪,如美国福禄克公司的F710系列,日本横河公司的CA100系列等。这类校验仪除功能和应用范围及精度要满足需求外,同时它还应具有较强的抗环境适应能力。针对这些要求,福建顺昌虹润精密仪器有限公司开发了NHR100工业校准器,该产品通过便捷的面板按键操作，可精确的输出和测量电压、电流、电阻、温度、频率、压力等过程信号并有智能的输入、输出保护功能。产品采用点阵式LCD显示,单节的9V电池或交流电源适配器供电,防震、防尘、防水溅的结构设计,特别适合在现场对工业控制过程的各类仪表进行校准及维护。下面介绍一下这个产品的设计原理框图和关键技术。
2、NHR过程校验仪设计原理框图
NHR100型过程过程校验仪采用高速、低功耗、高性能的MSP430系列单片机作为中央控制单元，外加铁电和Flash作为存储器，还有电源管理电路，精确控制整机功率消耗。
其原理框图如图一
图一
3、系统组成部分：
3.1中央控制器
中央控制单元作为过程校准器的核心，主要完成仪表的控制，运算，显示，通讯等功能；本过程校准器采用TI超低功耗的MSP430F449系列高性能微处理芯片为作为中央控单元，该器件是具有RISC精简指令集的16 Bit 强大CPU，16 Bit寄存器和双16Bit指针结构（数据指针和地址指针），并且结合五个低功耗模式，优化电源管理，延长电池寿命，更加适合便携式测量应用。
3.2存储器设备
这里的存储器设备有EEPROM，铁电存储器FRAM和内部Flash、RAM构成。EEPROM主要用来各种信号的分度号表，这些数据在使用时就从EEPROM读入内部RAM，用于完成温度的计算；FRAM的特性是功耗低，读写速度快，该存储器用来记录掉电时的仪表状态参数，报输出信号的类型，输出数据大小等；内部Flash用来存储过程校准器的校准参数和仪表的设置参数；内部RAM的特点是保持数据需要供电，但读写速度非常快，而且几乎没有擦写时间的限制，所以用来作为计算的临时寄存器。
3.3显示电路、显示器
显示器是交互设备的主体，应该能提供足够的信息量，便于用户的操作
具有易读性和易操作性。本过程校准器采用RA8803作为显示器的驱动芯片，该芯片具有多达512k的行列映射寄存器，64级的灰度控制，能完成更加丰富的界面显示。液晶显示器则采用工业级的，分辨率为320x240的，0.12mm的像素点使得做出来的文字和图片更加细腻。为能提高可操作性，也可换成多彩屏，甚至是IPS等。
3.4键盘输入及电路
键盘是另外一个交互设备，一般是用来给用户输入信息：包括设置仪表参数，校准仪表输入输出信号等。本过程校准器采用一颗按键扫描芯片，可通过串行通信的方式读取芯片数据，CPU采用中断的方式读取扫描芯片的数据，然后完成响应的操作。过程校准器的键盘操作分一般操作员操作和工程师操作，通过不同的按键组合和密码来限制、区分不同的操作类型。
3.5模拟输入、采样保持及AD部分电路
在模拟测量端为达到0.01%的测量精度，输入端采用低温漂的精密电阻，再加上低失调、低漂移的仪用放大器构成其模拟量采样保持电路，24Bit高分辨率、高速AD芯片进行模数转换；输入端只有两个端子，而输入端一般有mV、V、mA、Hz和电阻等多种信号，为满足信号的万能输入，模拟开关是必不可少的，在这里可以采用触点镀银的低电压驱动继电器，继电器在导通电阻的大小，导通电阻的热稳定性对于普通的电子模拟开关具有无可比拟的优势，减少因为导通电阻而影响测量的准确性和稳定性。
3.6模拟输出及DA部分电路
过程校准器亦可作为其他仪表的信号源，可以输出mV、V,Hz,mA和电阻等多种信号,为进行信号类型的切换，模拟开关是必不可少的，在这里可以采用触点镀银的低电压驱动继电器，继电器在导通电阻的大小，导通电阻的热稳定性对于普通的电子模拟开关具有无可比拟的优势，减少因为导通电阻而影响输出信号的准确性和稳定性。同时采用16Bit的DA转换芯片亦可以满足0.01%的准确度（理论计算的分辨率为0.0015%），在输出端可以用运放和其他电子元件构成恒压或恒流电路，这样可以增加信号的带负载能力，
3.7RS232通讯电路
过程校准器多用于自动化系统、过程仪表的故障诊断、校准、检定，实验室信号的测量和校准，在生产过程中对各种工业数字显示仪表或模块仪表进行模拟信号的校准时，多用手动或自动。手动用按键既可以完成操作，而自动化校表则会用电脑（PC机）来完成操作，所以过程校准器多采用RS232通讯，软件协议可采用ModBus,TrendBus,UT,TCP/IP等多种协议。
3.8电源管理部分
过程校准器可以用锂电池（8.4V）供电，同时可以用外部电源适配器进行充电。现在多数工业仪表都为三隔离（即输入、输出、电源三隔离），所以过程校准器的测量和信号输出端也应该是电气隔离的，因此其电源部分也是隔离的，多采用DC DC转换，输出多种独立、隔离的电源供给测量或信号输出部分电路。当电池过低时，对过程校准器可能造成雾操作，亦有可能对校准器造成损害，所以适当增加电池电压的监控电路，包括电池的过充和过放电路，这样有助于延长电池的使用寿命
3.9过程校验器软件部分
过程校准器在生产过程和现场使用都很频繁，其稳定性，可操作性显得尤为重要。软件质量和软件的可靠性是软件生存的基本条件 ,提高软件质量是软件开发过程中的关键问题 .提高软件质量和可靠性通常有两种方法 :避开错误和容错 .其中容错问题又是软件可靠性的核心问题。所以好的软件应该在错误发生时系统不受到影，并且良好的HMI（人机交互）界面是操作者更容易使用，也会更好的减少错误的发生。
4、NHR过程校验仪功能特点
4.1功能
电压测量/输出热电偶、热电阻测量/输出
电流测量/输出脉冲计数
电阻测量/输出阶梯输出
频率测量/输出冷端手动、自动补偿选择
模拟二、三线制变送器输入热工手册
4.2特点
4.2.1手持立式校准仪：
手持式设计使本产品具有应用方式灵活、操作简便的特点，它可以通过按键操作直接进入指定功能区。在工业现场，您可以将NHR-100挂在身边对各种电气设备和传感器进行检测，给您的现场维护工作带来便利和方便。
4.2.2信号输出和测量可同步进行：
在常规检测中，经常需要多种测量设备组合才能完成对电气设备的检测，如信号源、电阻箱和万用表等。现在，只要用一台NHR-100过程校验仪，既能对热电偶、热电阻以及电流、电压等仪表执行常规检查和维护，又能对变送器、温度调节器和信号隔离器进行维护和诊断，它为提高您的工作的效率提供了极好的手段。
4.2.3高精度、多功能的源和测量：
对于源单元和测量单元的直流电压、直流电流具有高精度和高稳定性。可对直流电压、直流电流、电阻、热电阻、热电偶和频率等进行测量。
4.2.4环路供电：
具备24V配电能力，在向环路供电(最大30mADC)时，能够测量来自2/3线制变送器的电流信号。
4.2.5查表功能
热工手册实现热偶的毫伏值与温度值、热电阻的电阻值与温度值的快捷互查。
4.2.6智能插孔
在应用校验仪进行测量和输出信号时，相对应的表笔插孔导光柱会发出闪光，提示用户将测试表笔插入该插孔，智能化的提示给您的操作带来方便。
5、其它功部分介绍
5.1软硬件的低功耗设计：
NHR100的低功耗设计是一个重要的指标,它直接影响着产品的输入与输出精度的测量，硬件设计中尽量选用大规模和低功耗集成电路,微处理器采用内含32KROM和上电复位电路及看门狗定时器的单片机。由于键的数量不多,采用直接由I/O口读键的方式;采用128段低功耗LCD显示驱动器;机内所有运算放大器、基准都采用低功耗的精密器件。对于耗电较大的24V升压DC/DC电源电路,采用在功能切换或更换量程时自动置为待机状态,为了节省电池无谓的损耗,设计了自动关机功能。如果用户10 min之内不对仪表进行操作,它将自动关机,关机后机内的MOS开关管将电池与电路部分断开,此时电池输出电流不到2μA,大大延长了电池的使用寿命。
软件设计中采用微处理器在执行完当前任务后自动进入睡眠状态,由于微处理器工作期与睡眠期的时间比小于1/100,所以可大大减少功耗。同时由于在睡眠期微处理器对外部的干扰不敏感,这样可提高仪表的抗干扰性。
5.2面板校准技术
打开工业校准器的电源开关,中央处理器根据面板上的按键选择进入正常工作状态，然后根据按键校准功能键选择输入、输出校准,之后进行自检和初始化,判断是否有键按下,如无键操作,处理器进入睡眠状态,如有键按下,唤醒处理器进行键分析,转入相应的键执行程序。
为保证仪表的精度指标,在规定的时间内要进行校准。在校准状态,所有量程校准由机内面板校准软件完成。校准参数自动存入机内的EEP-ROM内。
6、结束语
对NHR100过程校验仪校准后,对输出和输入检验用福禄克1281数字表和5520A标准源进行测量,精度高于0·005%量程,24小时稳定度高于0·001%量程,在温度实验箱做0~50℃温度试验,输出和输入各量程精度均在0·02%量程以内,其温度影响最大不超过0·001%量程/℃。
通过在现场使用,证明NHR100过程校验仪稳定、可靠、功能全、精度高,完全满足在现场对过程仪表进行校准的要求。
根据这一趋势,国外许多著名厂商纷纷推出各自的过程校验仪,如美国福禄克公司的F710系列,日本横河公司的CA100系列等。这类校验仪除功能和应用范围及精度要满足需求外,同时它还应具有较强的抗环境适应能力。针对这些要求,福建顺昌虹润精密仪器有限公司开发了NHR100工业校准器,该产品通过便捷的面板按键操作，可精确的输出和测量电压、电流、电阻、温度、频率、压力等过程信号并有智能的输入、输出保护功能。产品采用点阵式LCD显示,单节的9V电池或交流电源适配器供电,防震、防尘、防水溅的结构设计,特别适合在现场对工业控制过程的各类仪表进行校准及维护。下面介绍一下这个产品的设计原理框图和关键技术。
2、NHR过程校验仪设计原理框图
NHR100型过程过程校验仪采用高速、低功耗、高性能的MSP430系列单片机作为中央控制单元，外加铁电和Flash作为存储器，还有电源管理电路，精确控制整机功率消耗。
其原理框图如图一
图一
3、系统组成部分：
3.1中央控制器
中央控制单元作为过程校准器的核心，主要完成仪表的控制，运算，显示，通讯等功能；本过程校准器采用TI超低功耗的MSP430F449系列高性能微处理芯片为作为中央控单元，该器件是具有RISC精简指令集的16 Bit 强大CPU，16 Bit寄存器和双16Bit指针结构（数据指针和地址指针），并且结合五个低功耗模式，优化电源管理，延长电池寿命，更加适合便携式测量应用。
3.2存储器设备
这里的存储器设备有EEPROM，铁电存储器FRAM和内部Flash、RAM构成。EEPROM主要用来各种信号的分度号表，这些数据在使用时就从EEPROM读入内部RAM，用于完成温度的计算；FRAM的特性是功耗低，读写速度快，该存储器用来记录掉电时的仪表状态参数，报输出信号的类型，输出数据大小等；内部Flash用来存储过程校准器的校准参数和仪表的设置参数；内部RAM的特点是保持数据需要供电，但读写速度非常快，而且几乎没有擦写时间的限制，所以用来作为计算的临时寄存器。
3.3显示电路、显示器
显示器是交互设备的主体，应该能提供足够的信息量，便于用户的操作
具有易读性和易操作性。本过程校准器采用RA8803作为显示器的驱动芯片，该芯片具有多达512k的行列映射寄存器，64级的灰度控制，能完成更加丰富的界面显示。液晶显示器则采用工业级的，分辨率为320x240的，0.12mm的像素点使得做出来的文字和图片更加细腻。为能提高可操作性，也可换成多彩屏，甚至是IPS等。
3.4键盘输入及电路
键盘是另外一个交互设备，一般是用来给用户输入信息：包括设置仪表参数，校准仪表输入输出信号等。本过程校准器采用一颗按键扫描芯片，可通过串行通信的方式读取芯片数据，CPU采用中断的方式读取扫描芯片的数据，然后完成响应的操作。过程校准器的键盘操作分一般操作员操作和工程师操作，通过不同的按键组合和密码来限制、区分不同的操作类型。
3.5模拟输入、采样保持及AD部分电路
在模拟测量端为达到0.01%的测量精度，输入端采用低温漂的精密电阻，再加上低失调、低漂移的仪用放大器构成其模拟量采样保持电路，24Bit高分辨率、高速AD芯片进行模数转换；输入端只有两个端子，而输入端一般有mV、V、mA、Hz和电阻等多种信号，为满足信号的万能输入，模拟开关是必不可少的，在这里可以采用触点镀银的低电压驱动继电器，继电器在导通电阻的大小，导通电阻的热稳定性对于普通的电子模拟开关具有无可比拟的优势，减少因为导通电阻而影响测量的准确性和稳定性。
3.6模拟输出及DA部分电路
过程校准器亦可作为其他仪表的信号源，可以输出mV、V,Hz,mA和电阻等多种信号,为进行信号类型的切换，模拟开关是必不可少的，在这里可以采用触点镀银的低电压驱动继电器，继电器在导通电阻的大小，导通电阻的热稳定性对于普通的电子模拟开关具有无可比拟的优势，减少因为导通电阻而影响输出信号的准确性和稳定性。同时采用16Bit的DA转换芯片亦可以满足0.01%的准确度（理论计算的分辨率为0.0015%），在输出端可以用运放和其他电子元件构成恒压或恒流电路，这样可以增加信号的带负载能力，
3.7RS232通讯电路
过程校准器多用于自动化系统、过程仪表的故障诊断、校准、检定，实验室信号的测量和校准，在生产过程中对各种工业数字显示仪表或模块仪表进行模拟信号的校准时，多用手动或自动。手动用按键既可以完成操作，而自动化校表则会用电脑（PC机）来完成操作，所以过程校准器多采用RS232通讯，软件协议可采用ModBus,TrendBus,UT,TCP/IP等多种协议。
3.8电源管理部分
过程校准器可以用锂电池（8.4V）供电，同时可以用外部电源适配器进行充电。现在多数工业仪表都为三隔离（即输入、输出、电源三隔离），所以过程校准器的测量和信号输出端也应该是电气隔离的，因此其电源部分也是隔离的，多采用DC DC转换，输出多种独立、隔离的电源供给测量或信号输出部分电路。当电池过低时，对过程校准器可能造成雾操作，亦有可能对校准器造成损害，所以适当增加电池电压的监控电路，包括电池的过充和过放电路，这样有助于延长电池的使用寿命
3.9过程校验器软件部分
过程校准器在生产过程和现场使用都很频繁，其稳定性，可操作性显得尤为重要。软件质量和软件的可靠性是软件生存的基本条件 ,提高软件质量是软件开发过程中的关键问题 .提高软件质量和可靠性通常有两种方法 :避开错误和容错 .其中容错问题又是软件可靠性的核心问题。所以好的软件应该在错误发生时系统不受到影，并且良好的HMI（人机交互）界面是操作者更容易使用，也会更好的减少错误的发生。
4、NHR过程校验仪功能特点
4.1功能
电压测量/输出热电偶、热电阻测量/输出
电流测量/输出脉冲计数
电阻测量/输出阶梯输出
频率测量/输出冷端手动、自动补偿选择
模拟二、三线制变送器输入热工手册
4.2特点
4.2.1手持立式校准仪：
手持式设计使本产品具有应用方式灵活、操作简便的特点，它可以通过按键操作直接进入指定功能区。在工业现场，您可以将NHR-100挂在身边对各种电气设备和传感器进行检测，给您的现场维护工作带来便利和方便。
4.2.2信号输出和测量可同步进行：
在常规检测中，经常需要多种测量设备组合才能完成对电气设备的检测，如信号源、电阻箱和万用表等。现在，只要用一台NHR-100过程校验仪，既能对热电偶、热电阻以及电流、电压等仪表执行常规检查和维护，又能对变送器、温度调节器和信号隔离器进行维护和诊断，它为提高您的工作的效率提供了极好的手段。
4.2.3高精度、多功能的源和测量：
对于源单元和测量单元的直流电压、直流电流具有高精度和高稳定性。可对直流电压、直流电流、电阻、热电阻、热电偶和频率等进行测量。
4.2.4环路供电：
具备24V配电能力，在向环路供电(最大30mADC)时，能够测量来自2/3线制变送器的电流信号。
4.2.5查表功能
热工手册实现热偶的毫伏值与温度值、热电阻的电阻值与温度值的快捷互查。
4.2.6智能插孔
在应用校验仪进行测量和输出信号时，相对应的表笔插孔导光柱会发出闪光，提示用户将测试表笔插入该插孔，智能化的提示给您的操作带来方便。
5、其它功部分介绍
5.1软硬件的低功耗设计：
NHR100的低功耗设计是一个重要的指标,它直接影响着产品的输入与输出精度的测量，硬件设计中尽量选用大规模和低功耗集成电路,微处理器采用内含32KROM和上电复位电路及看门狗定时器的单片机。由于键的数量不多,采用直接由I/O口读键的方式;采用128段低功耗LCD显示驱动器;机内所有运算放大器、基准都采用低功耗的精密器件。对于耗电较大的24V升压DC/DC电源电路,采用在功能切换或更换量程时自动置为待机状态,为了节省电池无谓的损耗,设计了自动关机功能。如果用户10 min之内不对仪表进行操作,它将自动关机,关机后机内的MOS开关管将电池与电路部分断开,此时电池输出电流不到2μA,大大延长了电池的使用寿命。
软件设计中采用微处理器在执行完当前任务后自动进入睡眠状态,由于微处理器工作期与睡眠期的时间比小于1/100,所以可大大减少功耗。同时由于在睡眠期微处理器对外部的干扰不敏感,这样可提高仪表的抗干扰性。
5.2面板校准技术
打开工业校准器的电源开关,中央处理器根据面板上的按键选择进入正常工作状态，然后根据按键校准功能键选择输入、输出校准,之后进行自检和初始化,判断是否有键按下,如无键操作,处理器进入睡眠状态,如有键按下,唤醒处理器进行键分析,转入相应的键执行程序。
为保证仪表的精度指标,在规定的时间内要进行校准。在校准状态,所有量程校准由机内面板校准软件完成。校准参数自动存入机内的EEP-ROM内。
6、结束语
对NHR100过程校验仪校准后,对输出和输入检验用福禄克1281数字表和5520A标准源进行测量,精度高于0·005%量程,24小时稳定度高于0·001%量程,在温度实验箱做0~50℃温度试验,输出和输入各量程精度均在0·02%量程以内,其温度影响最大不超过0·001%量程/℃。
通过在现场使用,证明NHR100过程校验仪稳定、可靠、功能全、精度高,完全满足在现场对过程仪表进行校准的要求。
