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基于MSP430的智能压力变送器的设计与开发

时间:2019-10-18 09:15:17

摘要:介绍了一种以 MSP430 单片机为核心的智能压力变送器。 具体阐述了该变送器的工作原理、总体设计、硬件电路设计和软件设计框图。 该变送器可适用于测量天然气、过热和饱和蒸汽、各种液体和各种标准气体的流量,并且可以和其它设备进行结合,实现工业现场流体测量与控制的智能化和多样化。

本文介绍用 MSP430F5418A 单片机开发的新型智能压力变送器。 其工作原理是:以高精度且带自身温度补偿的电容式差压传感器、扩散硅压力传感器与高精度热电偶为测量元件,通过自动测量流体的差压、压力、温度,并通过计算和多种补偿,得到并输出流体的体积流量、质量流量、体积积流、质量积流等。 本变送器采用了数据校正、数字滤波、多输出形式等技术,使其能更适应各种复杂的工况环境。
1 总体设计
1.1 智能压力变送器总体功能设计
智能压力变送器组成框图如图 1 所示,此变送器共有四种输入量,分别为 DS18B20 温度单总线信号输入(用于补偿电容式差压传器)、电容差压传感器的信号输入、PT1000 热电阻模拟量输入以及扩散硅压力传感器的模拟量输入。 变送器输出量为4~20mA 模拟量,通信采用两线 HART 通信协议,即在 4~20mA的模拟信号上叠加 FSK(Frequency Shift Keying,频移键控)数字信号,在 2 线供电回路上可以兼容模拟和数字 2 种信号。
该 变 送 器 采 用 LCD 方式进行数据显示,LCD 为 字 段 显 示(如图 2), 采用 8com 动态显示, 以合泰 HT1622 作为驱动芯片。 主显示区为 8 位 8 段,字高约 10mm。 辅助显示区为 6 位 8 段,字高约为 6~8mm。 压力变送器的各项流量测量的参数设定主要是通过手持式 HART 通信仪或上位机来设定; 同时也可以通过干簧管或红外遥控来修改设定。
1.2 总体特点
1)超低功耗。 传感器调理电路及主板处理电路均选用超低功耗元器件,使得整机达到低功耗状态。 完全能满足仪表的各项参数测量与仪表的认证。 2)测量误差自动修正。 在此压力变送器中,对三个传感器都有进行补偿与校准,使得测量更加的准确。 在流量测量当中,通过热电阻 PT1000 进行温度测量,再进行软件的补偿修正,可以大大提高变送器的数据准确及自适应能力。 3)多参量测量。 可以同时对多个参量进行测量,通过在软件当中增加多种数字滤波方法, 以将工况现场中对流量测量的干扰降到非常低。 4)模拟量输出及总线通信。 可以输出工业现场通用的 4~20mA模拟量信号, 同时也可以通过使用 HART 通信协议与其他智能设备与仪器组成大规模的流量测量与控制系统。 2 硬件设计
2.1 MCU 选型
通过对变送器所开发的功能及所需芯片片内资源进行深入研 究 后, 非常 终 选 用 TI 公 司 的 MSP430F5418A 为 此 变 送 器 的MCU。 MSP430F5418A 芯片是 TI 公司推出的一个强大的 16 位RISC CPU,具有超低功耗微、存 储 空 间 大、集成度高等优点。
MSP430F5418A 微控制器的片内资源十分丰富, 具有 16KB 字节的 SRAM,128K 字节的 FLASH,67 个 I / O 引脚,三个 16 位定时器,一个高性能的 12 位模拟 / 数字转换器(ADC),多达四个通用串行通信接口(USCI),一个硬件乘法器等。MSP430F5418A 除正常工作模式外,还有多达 5 种的低功耗模式设置,通过不同设定来让其工作时的功耗达到非常低。
2.2 信号调理电路设计
差压传感器使用的为上海自动化仪器公司生产的一款性能稳定,精度高的金属电容差压式传感器,差压传感器调理电路使用的电源来自于 4~20mA 环路当中,因此该调理电路的功耗可以满足在回路当中 4mA 以下可正常工作的要求,同时电路须要采用隔离措施,将传感器调理电路与主板电路进行隔离,以提高稳定及抗干扰性能。 差压调理电路如图 3 所示,主要原理:通过CPU 输出一个标准的周期信号来对差压传感器的 H 端与 L 端的测量选择,根据电容的充放电转换,将电容信号转变为频率信号 f,频率信号 f 经过隔离芯片传送到主芯片当中,MCU 通过高精度计数器精确统计出脉冲个数,后可得出精准频率。 再通过频率与差压之间的关系准确地测量出差压值。
温度与压力测量调理电路如图 4 所示,PT1000 热电阻与扩散硅压力传感器的信号采集方式是一致的, 是通过 ADI 公司的AD7794 芯片来处理完成。AD7794 是一款具有 6 通道、低噪声、低功耗、24 位 Σ-Δ 型的 ADC 芯片。 PT1000 热电阻与压力传感器均是由芯片内部输出 1mA 精密恒流源来作为激励,测量的基准电压是从一个与之串联的高精密低温漂的 1kΩ 电阻上获得,通过比率式测量,使得恒流源的波动对测量没有影响。
2.3 4~20mA 模拟量输出及 HART 通信电路设计
4~20mA 作为测量结果的模拟量输出是通过 AD421 接收MSP430 传送的数字信号来转换得到。 HART通信电路主要由现 MSP430、A5191HRT 和 AD421 组成。 A5191HRT 接收叠加在 4mA~20mA 环路上的 FSK 信号, 解调后传输给 MCU 或将MCU 产生的应答帧信息调制成 FSK 信号经波形整形器后由AD421 叠加在 4~20mA 环路上发送出去。 图 5 中,A5191HRT与 MCU 的接口信号包括载波检测 OCD、 解调输出 ORXD、调制输入 ITXD、请求发送 INRTS。 HART 调制解调器的时钟信号来源于 MSP430 内部分频出来的 460.8kHz 频率信号。
2.4 LCD 数据显示电路设计
因 MSP430F5418A 芯片不存在 LCD 驱动模块, 非常终选用台 湾 合 泰 HT1622 作 为 LCD 的 驱 动 芯 片。 HT1622 为 256 段 (32x8)内置存储器的多功能 LCD 驱动器,支持串行通信,蜂鸣器,看门定时器或时基定时器功能。 与 MCU 的通信线其只需要3 根,非常的简单。 同时它内部包含省电指令,通过设定可以有效降低芯片功耗。 3 软件设计多 参 量 变 送 器 的 主 程序流程图如 图 6 所 示。 首先初始化各个参数, 进 入测量计算周期后, 先 读 取差压,压力及 PT1000 传感器 测 量 数 据, 后 判 定 测 量的数据正常与否, 当 数 据正 常 后, 进行数据处理与补 偿, 而后计算多种流量参 数 并 进 行 LCD 显 示 和数据输出与 HART 通信。
本变送器已经在工业现场进行运用, 通过与上位机的通讯,实现了多种类型流体的测量,并在 HART 总线协议下,与现场 20 台各类变送器与控制器实现了流量计量与控制系统的集成。
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