智能壓力變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王政

【摘要】：智能壓力變送器在工業(yè)的測(cè)量和控制過程中起著非常重要的作用，應(yīng)用也很廣泛，可以測(cè)量各種介質(zhì)在液體、氣體與蒸汽的壓力、差壓和絕壓，而且測(cè)量結(jié)果比較精確，成為工業(yè)生產(chǎn)必不可少的設(shè)備儀器。為了滿足市場(chǎng)的需求，可以使變送器帶有總線的功能，這樣更方便操作控制，實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。本文主要從智能壓力變送器的概述、智能壓力變送器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和智能壓力變送器的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)這三個(gè)方面做了詳細(xì)的闡述。

【關(guān)鍵詞】：智能壓力變送器；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

一、智能壓力變送器的概述

智能壓力變送器在工業(yè)的測(cè)量和控制過程中起著非常重要的作用，應(yīng)用也很廣泛，可以測(cè)量各種介質(zhì)在液體、氣體與蒸汽的壓力、差壓和絕壓，而且測(cè)量結(jié)果比較精確，成為工業(yè)生產(chǎn)必不可少的設(shè)備儀器。智能壓力變送器主要有頂部和底部?jī)刹糠纸M成，頂部都是電子部件，像電路板、軟件和HMI等都在頂部，主要是處理傳感器的信號(hào)；底部主要是由傳感器構(gòu)成，傳感器主要分為壓力傳感器和溫度傳感器。本文主要說的是壓力傳感器，壓力傳感器的種類有硅壓阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器和諧振硅傳感器這四種。

智能壓力變送器不僅體積小、重量輕、而且測(cè)量結(jié)果比較精確，還具有通訊功能，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各種狀況能及時(shí)顯示出來，這樣實(shí)現(xiàn)了人機(jī)的交流。它的功能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先是硬件方面，智能壓力變送器主要將微處理器技術(shù)與數(shù)字通信相結(jié)合，充分利用了先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，并且應(yīng)用了A/D轉(zhuǎn)換器和集成電路，這些所占空間比較小，從而使智能壓力變送器具有體積小、性能高的特點(diǎn)，這也是它與模擬變送器的最大不同之處；其次，在性能指標(biāo)上，智能壓力變送器的性能要比模擬壓力變送器的性能高很多，在生產(chǎn)過程中變送器一單出現(xiàn)非一致性就會(huì)使變送器的輸入和輸出出現(xiàn)問題，這樣通過使用一些軟件進(jìn)行改進(jìn)從而使性能不斷提高，精度性也越來越好；再次是在線組態(tài)。

一、 智能壓力變送器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)壓力變送器的傳感器原理、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)不同，種類也多種多樣，對(duì)于智能壓力變送器硬件的電路板設(shè)計(jì)開發(fā)主要是電路板計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。智能壓力變送器的工作原理是：首先通過壓力傳感器測(cè)量被測(cè)介質(zhì)的壓力，然后通過轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量電信號(hào)，再將信號(hào)傳送到單片機(jī)，單片機(jī)將這些信號(hào)處理后經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和HART通信電路處理，使這些壓力和溫度的參數(shù)轉(zhuǎn)換成了4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)，這樣就能將這些數(shù)據(jù)信息及進(jìn)行及時(shí)的處理。

對(duì)智能傳感器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)首先是壓力傳感器，一般采用的是電容式傳感器，它具有很好的抗沖擊性和抗震動(dòng)性，能夠使檢測(cè)結(jié)果更穩(wěn)定和準(zhǔn)確；其次是溫度采樣電路，將高精度的溫度傳感器嵌入到智能壓力傳感器的金屬密封室里，能夠提高精度和變送器由于環(huán)境影響而產(chǎn)生的非線性補(bǔ)償功能；再次是微處理器，它是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心部分，也是硬件設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)；大多數(shù)智能傳感器采用單片機(jī)微處理器，具有很強(qiáng)大的功能，不僅功耗低、運(yùn)行快、精度高，而且價(jià)格合理，應(yīng)用十分廣泛；然后是通訊模塊，通常采用HART現(xiàn)場(chǎng)通訊協(xié)議，該協(xié)議就是在模擬的4-20mA的信號(hào)上疊加一個(gè)數(shù)字信號(hào)，其信號(hào)交流是對(duì)稱的，對(duì)模擬信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生干擾；最后是HMI人際界面，通常采用LCD作為現(xiàn)場(chǎng)知識(shí)來顯示參數(shù)和組態(tài)信息，通過LCD的顯示能夠提高對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控和設(shè)備系統(tǒng)的維護(hù)，LCD顯示器是將LCD面板與LCD驅(qū)動(dòng)器結(jié)合在一起然后再將其連接到單片機(jī)的控制窗口，LCD的控制主要是通過參數(shù)初始化、循環(huán)主程序和屏幕刷新程序進(jìn)行控制的。

二、 智能壓力變送器的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能壓力變送器的軟件結(jié)構(gòu)一般是嵌入式的結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行程序是按照相應(yīng)的流程進(jìn)行王府循環(huán)，如果遇到突發(fā)事件就會(huì)終端的一種結(jié)構(gòu)。智能壓力變送器的軟件編寫主要使用模塊化的結(jié)構(gòu)，軟件結(jié)構(gòu)主要分為監(jiān)控程序、測(cè)控程序和通信程序。其中監(jiān)控程序是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心部分，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的控制和運(yùn)行，它包括指示表頭檢測(cè)、系統(tǒng)自檢測(cè)和初始化，測(cè)量控制程序主要包括輸出數(shù)據(jù)、k洗漱補(bǔ)償、輸入數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集，通信程序主要包括應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)、通信發(fā)送和通信接受這三個(gè)部分。

首先是對(duì)溫度補(bǔ)償程序的設(shè)計(jì)，本文主要此阿勇電容式的傳感器，它的測(cè)量精度會(huì)由于外部環(huán)境的變化而發(fā)生很大改變，因此要對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和最小二乘法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為溫度補(bǔ)償在-20-70攝氏度；其次是對(duì)k系數(shù)程序設(shè)計(jì)，由于電容式的傳感器制造工藝存在不足使其性能得不到保證，有時(shí)候用同一個(gè)量程段，在輸出上就會(huì)有誤差，因此一般采用A/D采樣值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使測(cè)量范圍與量程有對(duì)應(yīng)的關(guān)系；再次是要對(duì)線性化程序設(shè)計(jì)，該部分主要是采用高精度的標(biāo)準(zhǔn)壓力源對(duì)傳感器的零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，來對(duì)輸出特性進(jìn)行特征化處理從而而不斷達(dá)到輸出特性的設(shè)計(jì)要求；最后是對(duì)HART通訊程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，該協(xié)議的數(shù)據(jù)格式為前導(dǎo)碼的字節(jié)長(zhǎng)度為5-20，定界符，、命令字節(jié)和校驗(yàn)字節(jié)的字節(jié)長(zhǎng)度都為1，地址的字節(jié)程度為1-5，數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為0-25，響應(yīng)的字節(jié)長(zhǎng)度為2。

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