智能多參量變送器的設(shè)計與開發(fā)

上海自儀公司介紹了一種以 MSP430 單片機為核心的智能多參量變送器。 具體闡述了該變送器的工作原理、總體設(shè)計、硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計框圖。該變送器可適用于測量天然氣、過熱和飽和蒸汽、各種液體和各種標準氣體的流量，并且可以和其它設(shè)備進行結(jié)合，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場流體測量與控制的智能化和多樣化。

本文介紹用 MSP430F5418A 單片機開發(fā)的新型智能多參量變送器。 其工作原理是：以高精度且?guī)ё陨頊囟妊a償?shù)碾娙菔讲顗簜鞲衅?、擴散硅壓力傳感器與高精度熱電偶為測量元件，通過自動測量流體的差壓、壓力、溫度，并通過計算和多種補償，得到并輸出流體的體積流量、質(zhì)量流量、體積積流、質(zhì)量積流等。 本變送器采用了數(shù)據(jù)校正、數(shù)字濾波、多輸出形式等技術(shù)，使其能更適應(yīng)各種復(fù)雜的工況環(huán)境。

1．1 智能多參量變送器總體功能設(shè)計

智能多參量變送器組成框圖如圖 1 所示，此變送器共有四種輸入量，分別為 DS18B20 溫度單總線信號輸入（用于補償電容式差壓傳器）、 電容式差壓傳感器的信號輸入、PT1000 熱電阻模擬量輸入以及擴散硅壓力傳感器的模擬量輸入。 變送器輸出量為4～20mA 模擬量，通信采用兩線 HART 通信協(xié)議，即在 4～20mA的模擬信號上疊加FSK（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）數(shù)字信號，在 2 線供電回路上可以兼容模擬和數(shù)字 2 種信號。

該變送器采用 LCD 方式進行數(shù)據(jù)顯示，LCD 為字段顯示（如圖 2）， 采用 8com 動態(tài)顯示，以合泰 HT1622 作為驅(qū)動芯片。主顯示區(qū)為 8 位 8 段，字高約 10mm。輔助顯示區(qū)為 6 位 8 段，字高約為 6～8mm。多參量變送器的各項流量測量的參數(shù)設(shè)定主要是通過手持式 HART 通信儀或上位機來設(shè)定；同時也可以通過干簧管或紅外遙控來修改設(shè)定。

1．2 總體特點

1）超低功耗。 傳感器調(diào)理電路及主板處理電路均選用超低功耗元器件，使得整機達到低功耗狀態(tài)。 完全能滿足儀表的各項參數(shù)測量與儀表的認證。

2）測量誤差自動修正。 在此多參量變送器中，對三個傳感器都有進行補償與校準，使得測量更加的準確。 在流量測量當中，通過熱電阻 PT1000 進行溫度測量，再進行軟件的補償修正，可以大大提高變送器的數(shù)據(jù)準確及自適應(yīng)能力。

3）多參量測量。 可以同時對多個參量進行測量，通過在軟件當中增加多種數(shù)字濾波方法， 以將工況現(xiàn)場中對流量測量的干擾降到非常低。

4）模擬量輸出及總線通信。 可以輸出工業(yè)現(xiàn)場通用的 4～20mA模擬量信號， 同時也可以通過使用 HART 通信協(xié)議與其他智能設(shè)備與儀器組成大規(guī)模的流量測量與控制系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計

2．1 MCU 選型

通過對變送器所開發(fā)的功能及所需芯片片內(nèi)資源進行深入研究后，非常終選用TI公司的MSP430F5418A為此變送器 的MCU。MSP430F5418A 芯片是 TI 公司推出的一個強大的16 位RISC CPU，具有超低功耗微、存儲空間大、集成度高等優(yōu)點。MSP430F5418A 微控制器的片內(nèi)資源十分豐富，具有 16KB字節(jié)的SRAM，128K 字節(jié)的FLASH，67 個 I ／ O 引腳，三個 16 位定時器，一個高性能的 12 位模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），多達四個通用串行通信接口（USCI），一個硬件乘法器等。MSP430F5418A 除正常工作模式外，還有多達 5 種的低功耗模式設(shè)置，通過不同設(shè)定來讓其工作時的功耗達到非常低。

2．2 信號調(diào)理電路設(shè)計

差壓傳感器使用的為上海自動化儀器公司生產(chǎn)的一款性能穩(wěn)定，精度高的金屬電容差壓式傳感器，差壓傳感器調(diào)理電路使用的電源來自于 4～20mA 環(huán)路當中，因此該調(diào)理電路的功耗可以滿足在回路當中 4mA 以下可正常工作的要求，同時電路須要采用隔離措施，將傳感器調(diào)理電路與主板電路進行隔離，以提高穩(wěn)定及抗干擾性能。 差壓調(diào)理電路如圖 3 所示，主要原理：通過CPU 輸出一個標準的周期信號來對差壓傳感器 H 端與 L 端的測量選擇，根據(jù)電容的充放電轉(zhuǎn)換，將電容信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號 f，頻率信號 f 經(jīng)過隔離芯片傳送到主芯片當中，MCU 通過高精度計數(shù)器精確統(tǒng)計出脈沖個數(shù)，后可得出精準頻率。 再通過頻率與差壓之間的關(guān)系準確地測量出差壓值。

溫度與壓力測量調(diào)理電路如圖 4 所示，PT1000 熱電阻與擴散硅壓力傳感器的信號采集方式是一致的， 是通過ADI 公司的AD7794 芯片來處理完成。AD7794 是一款具有 6 通道、低噪聲、低功耗、24 位 Σ－Δ 型的 ADC 芯片。 PT1000 熱電阻與壓力傳感器均是由芯片內(nèi)部輸出 1mA 精密恒流源來作為激勵，測量的基準電壓是從一個與之串聯(lián)的高精密低溫漂的 1kΩ 電阻上獲得，通過比率式測量，使得恒流源的波動對測量沒有影響。

2．3 4～20mA 模擬量輸出及 HART 通信電路設(shè)計

4～20mA 作為測量結(jié)果的模擬量輸出是通過 AD421 接收MSP430 傳送的數(shù)字信號來轉(zhuǎn)換得到。 HART 通信電路主要由現(xiàn) MSP430、A5191HRT和 AD421組成。 A5191HRT 接收疊加在 4mA～20mA 環(huán)路上的 FSK 信號，解調(diào)后傳輸給 MCU 或?qū)CU 產(chǎn)生的應(yīng)答幀信息調(diào)制成 FSK 信號經(jīng)波形整形器后由AD421 疊加在 4～20mA 環(huán)路上發(fā)送出去。圖 5 中，A5191HRT與 MCU 的接口信號包括載波檢測 OCD、 解調(diào)輸出 ORXD、調(diào)制輸入 ITXD、請求發(fā)送 INRTS。 HART 調(diào)制解調(diào)器的時鐘信號來源于 MSP430 內(nèi)部分頻出來的 460．8kHz 頻率信號。

2．4 LCD 數(shù)據(jù)顯示電路設(shè)計

因MSP430F5418A 芯片不存在 LCD 驅(qū)動模塊，非常終選用臺灣合泰HT1622作為LCD的驅(qū)動芯片。HT1622 為256 段（32x8）內(nèi)置存儲器的多功能 LCD 驅(qū)動器，支持串行通信，蜂鳴器，看門定時器或時基定時器功能。與MCU 的通信線其只需要3 根，非常的簡單。同時它內(nèi)部包含省電指令，通過設(shè)定可以有效降低芯片功耗。

3 軟件設(shè)計

多參量變送器的主程序流程圖如 圖 6 所 示。 首先初始化各個參數(shù)，進入測量計算周期后，先讀取差壓，壓力及PT1000 傳感器測量數(shù)據(jù)，后判定測量的數(shù)據(jù)正常與否，當數(shù)據(jù)正常后，進行數(shù)據(jù)處理與補 償， 而后計算多種流量參數(shù)并進行LCD 顯示和數(shù)據(jù)輸出與HART 通信。

本多參量多變器已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場進行運用， 上海自儀公司通過與上位機的通訊，實現(xiàn)了多種類型流體的測量，并在 HART 總線協(xié)議下，與現(xiàn)場 20 臺各類變送器與控制器實現(xiàn)了流量計量與控制系統(tǒng)的集成。