壓力變送器數(shù)字測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

吳根平 王 浩 劉志宏 黃 柳 華鍇瑋 高政新

（1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064）（2.中國(guó)人民解放軍92351部隊(duì)02分隊(duì) 三亞 572016）

1 引言

壓力變送器作為可用作氣壓、液壓、壓力差等物理量的測(cè)量，具有優(yōu)良的性能和出色的穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于船舶工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域［1］。傳統(tǒng)壓力變送器采用工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的4mA～20mA 模擬電流輸出及HART 協(xié)議半數(shù)字輸出方式，只能單向傳輸，信道為一對(duì)一，已逐漸不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制系統(tǒng)間信息交換的需求［2］。

在全數(shù)字化、智能化的工業(yè)4.0時(shí)代，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的數(shù)字化具有重要意義。將工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的模擬傳輸?shù)膲毫ψ兯推鲾?shù)字化改造為數(shù)字式壓力變送器，是時(shí)間短、見(jiàn)效快實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的重要舉措。針對(duì)模擬傳輸型壓力變送器數(shù)字化改造需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種小體積的、高精度的、數(shù)字式的壓力測(cè)量模塊，可嵌入安裝于壓力變送器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)壓力變送器的數(shù)字化。

2 系統(tǒng)總體方案

壓力測(cè)量模塊總體方案如圖1所示，主要包括電源電路、微處理器電路、信號(hào)調(diào)理電路、CAN通信電路等部分。電源電路將外部電源轉(zhuǎn)換為其他電路所需電源并供電。信號(hào)調(diào)理電路將輸入的4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)變換為微處理器電路可采集的電壓信號(hào)，經(jīng)微處理器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換并由軟件濾波處理，通過(guò)CAN 通信電路將信息輸出到外部CAN通信總線。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路主要功能為通過(guò)將24V 直流電源變換為5V、±15V 等電源，為模塊內(nèi)部的其他電路提供電源。通過(guò)WRB2405S 芯片將直流24V 電源轉(zhuǎn)換為直流5V 電源供微處理器電路的直流5V 電源通過(guò)WRB2405S芯片實(shí)現(xiàn)；CAN通信電路使用的直流5V 電源通過(guò)MAU122 芯片實(shí)現(xiàn)；信號(hào)調(diào)理電路使用的±15V電源通過(guò)MAU129芯片實(shí)現(xiàn)。

2.2 微處理器電路設(shè)計(jì)

微處理器電路主要功能為通過(guò)附帶電路實(shí)現(xiàn)微處理器自身基礎(chǔ)運(yùn)行。微處理器選用MC9XS128 系列單片機(jī)的芯片，該芯片供電電源為直流5V，電源抗干擾能力強(qiáng)，且內(nèi)部包含12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器及CAN 通信控制器，可極大簡(jiǎn)化外圍電路。微處理器復(fù)位選用TPS3808G50復(fù)位芯片。采用16MHz 無(wú)源晶振方式，啟振通過(guò)外接兩個(gè)18pF對(duì)稱(chēng)電容實(shí)現(xiàn)。

2.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路主要功能為將標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)通過(guò)電流電源變換后轉(zhuǎn)為合理范圍內(nèi)的電壓信號(hào)。4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)為壓力傳感器輸出，電流轉(zhuǎn)換電壓通過(guò)精密的10Ω采樣電阻實(shí)現(xiàn)。信號(hào)源端與采樣終端的完全電氣隔離，采用高可靠隔離性好的AMC1100 電流傳感芯片實(shí)現(xiàn)。后級(jí)通過(guò)運(yùn)算放大器OPA2227 電路，進(jìn)一步將壓力信號(hào)放大為0V～4.5V電壓信號(hào)送入微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

2.4 CAN通信電路設(shè)計(jì)

因CAN 通信控制器由微處理器內(nèi)部自帶，CAN 通信電路僅需實(shí)現(xiàn)CAN 通信驅(qū)動(dòng)器部分電路。CAN通信驅(qū)動(dòng)器選用帶隔離的、抗干擾性強(qiáng)的CTM1051芯片，將邏輯電平轉(zhuǎn)換為差分電平并通過(guò)CANH引腳和CANL引腳輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

壓力變送器壓力測(cè)量模塊運(yùn)行的軟件為直接嵌入式軟件，主要包括兩個(gè)模塊：一是初始化與定期中斷程序模塊，二是模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊組成。整個(gè)軟件按照GJB5000A標(biāo)準(zhǔn)完成軟件開(kāi)發(fā)和工程管理，在CodeWarrior 開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成程序的所有編寫(xiě)、編譯、調(diào)試及下載。

3.1 初始化與定期中斷程序模塊設(shè)計(jì)

初始化與定期中斷程序模塊功能主要包括系統(tǒng)各模塊的初始化，以及設(shè)置并啟動(dòng)定時(shí)器中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化并開(kāi)啟定時(shí)器。其次，定時(shí)周期性地采集模擬信號(hào)并將信號(hào)量化處理，后根據(jù)通過(guò)CAN 總線接收的外部控制系統(tǒng)指令將信息發(fā)送給外部控制系統(tǒng)。初始化過(guò)程中，將模/數(shù)采集工作模式配置為獨(dú)立模式、開(kāi)啟單通道轉(zhuǎn)換、軟件觸發(fā)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)右對(duì)齊，設(shè)置ADC 的采樣周期為50ms。整體軟件流程如圖2所示。

圖2 初始化與定期中斷程序模塊流程圖

3.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊設(shè)計(jì)

模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊功能主要是完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并完成相應(yīng)的信號(hào)處理。在微處理器自帶的16路模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道中選擇其中的三路轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行模/數(shù)采集。前兩路采集通道為有效信號(hào)采集通道，第三路采集通道采集5V 基準(zhǔn)電壓，以實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度的軟件數(shù)值校正。模/數(shù)采集完成后，需對(duì)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行濾波的數(shù)據(jù)處理，選用滑動(dòng)窗口濾波算法，即將最新的10 組轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)換值，去掉一個(gè)最大值、一個(gè)最小值后，將其余8 個(gè)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行算術(shù)平均?；瑒?dòng)窗口濾波完成后，為進(jìn)一步提高采集轉(zhuǎn)換精度，對(duì)采集轉(zhuǎn)換值再進(jìn)一步進(jìn)行分段線性校準(zhǔn)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理模塊流程圖如圖3所示。

圖3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證壓力測(cè)量模塊與壓力變送器物理接口尺寸的匹配性，圖4給出了壓力測(cè)量模塊嵌入安裝于壓力變送器的實(shí)際效果，由圖可知壓力測(cè)量模塊與壓力變送器物理接口尺寸匹配。

圖4 壓力測(cè)量模塊實(shí)際安裝圖

為驗(yàn)證壓力測(cè)量模塊的模擬信號(hào)采集精度，設(shè)計(jì)制作了三塊壓力測(cè)量模塊，完成了三塊壓力測(cè)量模塊的4mA～20mA 電流范圍內(nèi)典型電流點(diǎn)的模擬信號(hào)采集試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖可知，4mA～20mA 電流范圍內(nèi)的典型采樣點(diǎn)的采集精度高于0.25%，采集轉(zhuǎn)換精度高。

圖5 模擬信號(hào)采集誤差圖

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)只能單向傳輸、信道一對(duì)一的傳統(tǒng)模擬傳輸壓力變送器已逐漸不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制系統(tǒng)間信息交換的現(xiàn)象，本文基于數(shù)字化手段，采用CAN總線方式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可嵌入式安裝于壓力變送器內(nèi)部的、小體積的、高精度的、數(shù)字式的壓力測(cè)量模塊。該壓力測(cè)量模塊與壓力變送器的電氣、機(jī)械安裝接口均能良好匹配，在4mA～20mA整個(gè)電流范圍內(nèi)均具備較高的采集精度，可用于傳統(tǒng)壓力變送器數(shù)字化改造，可有效提升現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制系統(tǒng)信息交換的效率與可靠度。