壓力變送器數(shù)字測量模塊的設(shè)計與實現(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)計研究所 武漢 430064）（2.中國人民解放軍92351部隊02分隊 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)過程控制領(lǐng)域標準的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，信道為一對一，已逐漸不能滿足現(xiàn)場設(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，是時間短、見效快實現(xiàn)數(shù)字化的重要舉措。針對模擬傳輸型壓力變送器數(shù)字化改造需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種小體積的、高精度的、數(shù)字式的壓力測量模塊，可嵌入安裝于壓力變送器內(nèi)，實現(xiàn)壓力變送器的數(shù)字化。

2 系統(tǒng)總體方案

壓力測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。信號調(diào)理電路將輸入的4mA～20mA標準電流信號變換為微處理器電路可采集的電壓信號，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

電源電路主要功能為通過將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WRB2405S芯片實現(xiàn)；CAN通信電路使用的直流5V 電源通過MAU122 芯片實現(xiàn)；信號調(diào)理電路使用的±15V電源通過MAU129芯片實現(xiàn)。

2.2 微處理器電路設(shè)計

微處理器電路主要功能為通過附帶電路實現(xiàn)微處理器自身基礎(chǔ)運行。微處理器選用MC9XS128 系列單片機的芯片，該芯片供電電源為直流5V，電源抗干擾能力強，且內(nèi)部包含12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器及CAN 通信控制器，可極大簡化外圍電路。微處理器復(fù)位選用TPS3808G50復(fù)位芯片。采用16MHz 無源晶振方式，啟振通過外接兩個18pF對稱電容實現(xiàn)。

2.3 信號調(diào)理電路設(shè)計

信號調(diào)理電路主要功能為將標準電流信號通過電流電源變換后轉(zhuǎn)為合理范圍內(nèi)的電壓信號。4mA～20mA標準電流信號為壓力傳感器輸出，電流轉(zhuǎn)換電壓通過精密的10Ω采樣電阻實現(xiàn)。信號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 電流傳感芯片實現(xiàn)。后級通過運算放大器OPA2227 電路，進一步將壓力信號放大為0V～4.5V電壓信號送入微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

2.4 CAN通信電路設(shè)計

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

3 軟件設(shè)計

壓力變送器壓力測量模塊運行的軟件為直接嵌入式軟件，主要包括兩個模塊：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。整個軟件按照GJB5000A標準完成軟件開發(fā)和工程管理，在CodeWarrior 開發(fā)環(huán)境中完成程序的所有編寫、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

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)置并啟動定時器中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化并開啟定時器。其次，定時周期性地采集模擬信號并將信號量化處理，后根據(jù)通過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)。初始化過程中，將模/數(shù)采集工作模式配置為獨立模式、開啟單通道轉(zhuǎn)換、軟件觸發(fā)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)右對齊，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

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)換通道進行模/數(shù)采集。前兩路采集通道為有效信號采集通道，第三路采集通道采集5V 基準電壓，以實現(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，需對轉(zhuǎn)換值進行濾波的數(shù)據(jù)處理，選用滑動窗口濾波算法，即將最新的10 組轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)換值，去掉一個最大值、一個最小值后，將其余8 個轉(zhuǎn)換值進行算術(shù)平均。滑動窗口濾波完成后，為進一步提高采集轉(zhuǎn)換精度，對采集轉(zhuǎn)換值再進一步進行分段線性校準。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)測試試驗結(jié)果

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

圖4 壓力測量模塊實際安裝圖

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

圖5 模擬信號采集誤差圖

5 結(jié)語

針對只能單向傳輸、信道一對一的傳統(tǒng)模擬傳輸壓力變送器已逐漸不能滿足現(xiàn)場設(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)計并實現(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)字式的壓力測量模塊。該壓力測量模塊與壓力變送器的電氣、機械安裝接口均能良好匹配，在4mA～20mA整個電流范圍內(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)場設(shè)備與控制系統(tǒng)信息交換的效率與可靠度。