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基于MSP430的智能壓力變送器的設計與開發
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基于MSP430的智能壓力變送器的設計與開發

時間:2019-10-18 09:15:17

  摘要:介紹了一種以 MSP430 單片機為核心的智能壓力變送器。 具體闡述了該變送器的工作原理、總體設計、硬件電路設計和軟件設計框圖。 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,并且可以和其它設備進行結合,實現工業現場流體測量與控制的智能化和多樣化。gr6壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
本文介紹用 MSP430F5418A 單片機開發的新型智能壓力變送器。 其工作原理是:以高精度且帶自身溫度補償的電容式差壓傳感器、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、質量流量、體積積流、質量積流等。 本變送器采用了數據校正、數字濾波、多輸出形式等技術,使其能更適應各種復雜的工況環境。
 
 1 總體設計
1.1 智能壓力變送器總體功能設計
智能壓力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 通信協議,即在 4~20mA的模擬信號上疊加 FSK(Frequency Shift Keying,頻移鍵控)數字信號,在 2 線供電回路上可以兼容模擬和數字 2 種信號。
系統結構
該 變 送 器 采 用 LCD 方式進行數據顯示,LCD 為 字 段 顯 示(如圖 2), 采用 8com 動態顯示, 以合泰 HT1622 作為驅動芯片。 主顯示區為 8 位 8 段,字高約 10mm。 輔助顯示區為 6 位 8 段,字高約為 6~8mm。 壓力變送器的各項流量測量的參數設定主要是通過手持式 HART 通信儀或上位機來設定; 同時也可以通過干簧管或紅外遙控來修改設定。
 LCD 顯示面板
1.2 總體特點
1)超低功耗。 傳感器調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。 完全能滿足儀表的各項參數測量與儀表的認證。 2)測量誤差自動修正。 在此壓力變送器中,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據準確及自適應能力。 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字濾波方法, 以將工況現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。 可以輸出工業現場通用的 4~20mA模擬量信號, 同時也可以通過使用 HART 通信協議與其他智能設備與儀器組成大規模的流量測量與控制系統。 2 硬件設計
 
2.1 MCU 選型
通過對變送器所開發的功能及所需芯片片內資源進行深入研 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、集成度高等優點。
MSP430F5418A 微控制器的片內資源十分豐富, 具有 16KB 字節的 SRAM,128K 字節的 FLASH,67 個 I / O 引腳,三個 16 位定時器,一個高性能的 12 位模擬 / 數字轉換器(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 種的低功耗模式設置,通過不同設定來讓其工作時的功耗達到非常低。
 
2.2 信號調理電路設計
差壓傳感器使用的為上海自動化儀器公司生產的一款性能穩定,精度高的金屬電容差壓式傳感器,差壓傳感器調理電路使用的電源來自于 4~20mA 環路當中,因此該調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,將傳感器調理電路與主板電路進行隔離,以提高穩定及抗干擾性能。 差壓調理電路如圖 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的 H 端與 L 端的測量選擇,根據電容的充放電轉換,將電容信號轉變為頻率信號 f,頻率信號 f 經過隔離芯片傳送到主芯片當中,MCU 通過高精度計數器精確統計出脈沖個數,后可得出精準頻率。 再通過頻率與差壓之間的關系準確地測量出差壓值。
差壓調理電路
溫度與壓力測量調理電路如圖 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。
溫度和壓力電路
2.3 4~20mA 模擬量輸出及 HART 通信電路設計
4~20mA 作為測量結果的模擬量輸出是通過 AD421 接收MSP430 傳送的數字信號來轉換得到。 HART通信電路主要由現 MSP430、A5191HRT 和 AD421 組成。 A5191HRT 接收疊加在 4mA~20mA 環路上的 FSK 信號, 解調后傳輸給 MCU 或將MCU 產生的應答幀信息調制成 FSK 信號經波形整形器后由AD421 疊加在 4~20mA 環路上發送出去。 圖 5 中,A5191HRT與 MCU 的接口信號包括載波檢測 OCD、 解調輸出 ORXD、調制輸入 ITXD、請求發送 INRTS。 HART 調制解調器的時鐘信號來源于 MSP430 內部分頻出來的 460.8kHz 頻率信號。
HART 通信電路
 
2.4 LCD 數據顯示電路設計
因 MSP430F5418A 芯片不存在 LCD 驅動模塊, 非常終選用臺 灣 合 泰 HT1622 作 為 LCD 的 驅 動 芯 片。 HT1622 為 256 段 (32x8)內置存儲器的多功能 LCD 驅動器,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。 同時它內部包含省電指令,通過設定可以有效降低芯片功耗。 3 軟件設計多 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, 進 入測量計算周期后, 先 讀 取差壓,壓力及 PT1000 傳感器 測 量 數 據, 后 判 定 測 量的數據正常與否, 當 數 據正 常 后, 進行數據處理與補 償, 而后計算多種流量參 數 并 進 行 LCD 顯 示 和數據輸出與 HART 通信。
多參量變送器主程序流程圖
本變送器已經在工業現場進行運用, 通過與上位機的通訊,實現了多種類型流體的測量,并在 HART 總線協議下,與現場 20 臺各類變送器與控制器實現了流量計量與控制系統的集成。
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