發動機試驗平臺專用壓力變送器設計

秦軍 黃宏偉

西儀股份有限公司 陜西西安 710082

發動機工作條件非常苛刻，處于高溫、高壓和高速轉動的工作狀態。為了提升發動機的性能、可靠性以及壽命等，就需要利用發動機試驗平臺來充分掌握發動機在不同工況下的溫度、壓力、腐蝕、間隙以及應力等情況。基于陶瓷電容壓力傳感器和ADuCM361單片機設計實現的專用壓力變送器，能夠針對試驗平臺準確度高、靈敏度高、小型化、抗惡劣環境、非接觸、動態響應好、智能化等要求，進行精確快速壓力測量及遠距離4-20mA直流信號傳送，也可完成遠程通信組態。

1 系統原理簡介

變送器由壓力傳感器、ADuCM361單片機、HART通信電路、4-20mA轉換電路組成。整體方案實現如圖1。

圖1 原理框圖

2 ADuCM361概述

ADuCM361[1]是完全集成的3.9kSPS、24位數據采集系統，片上集成了高性能多通道 Σ-Δ型模數轉換器(ADC)、32位ARM Cortex?-M3處理器和Flash存儲器。芯片自帶一個32kHz和16MHz蕩器。ADuCM361為低功耗ARM Cortex-M3處理器，峰值性能最高可達20MIPS。雙通道ADC可在全差分和單端模式下工作，ADC包括可編程激勵電流源、診斷電流源和偏置電壓產生器AVDD_REG/2(900mV) 等功能。ADC包含兩個濾波器：一個濾波器用于精密測量，另一個濾波器用于快速測量。片上還集成了低噪聲、低漂移內部帶隙基準電壓源、可緩存外部基準電壓輸入，以及一個單通道帶緩沖的DAC。芯片還集成了一系列片內外設如：UART、I2C、SPI、19個GPIO、兩個通用定時器、喚醒定時器及系統看門狗定時器。同時提供了一個帶6個輸出通道的16位PWM控制器。ADuCM361專為要求低功耗工作的電池供電應用而設計，可以通過程序配置為多種低功耗工作模式。ADuCM361采用外部1.8V至3.6V電源供電，額定溫度范圍為-40°C至+125°C。

3 陶瓷電容壓力傳感器

陶瓷電容壓力傳感器中間無任何填充液體，過程壓力直接作用在陶瓷膜片的表面，襯底的電極與膜片電極的電容量變化比例于壓力大小，傳感器輸出500-4500mV的直流電壓。過載時，膜片貼到襯底上而不會損壞，當壓力恢復正常時，其性能不受任何影響。傳感器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性，自帶溫度補償-20-80℃。陶瓷電容壓力傳感器與介質直接接觸不會產生工藝污染，因此在食品、醫藥等行業有著廣泛的應用，以此生產的變送器被應用在各種測量壓力的場合。

4 4-20mA轉換電路

由AD5421[2]完成變送器4-20mA直流電流信號的轉換輸出。AD5421是一款完整的環路供電型4-20mA數模轉換器(DAC)，專為滿足工業控制領域而設計的一種高精度、低成本解決方案。AD5421外圍電路如圖2所示，AD5421內置一路穩壓輸出，用于為自身及系統中的其它器件供電，R11、R12經1M電阻上拉DVDD及VS2接DGND配置AD5421輸出電壓為3.3V。AD5421通過SPI接口與ADuCM361完成數據通信。

圖2 4-20mA轉換電路

圖3 軟件流程圖

5 軟件流程圖

專用變送器軟件設計包括壓力信號采集、壓力值計算、線性修正、DAC輸出轉換、HART通信等幾個部分。

6 結語

針對發動機測試平臺壓力測量需求，給出了一種基于ADuCM361和陶瓷電容壓力傳感器的變送器電路設計方法。經實際工況試驗表明采用該方案設計制作的試驗平臺專用變送器精度可達0.075%F.S，溫度影響小于0.1%/10℃。該方案采用高集成度單芯片和干式傳感器，也可廣泛應用醫藥、食品等行業的高精度壓力測量要求。