徐　揚(yáng),湯　捷,唐傳高（合肥工業(yè)大學(xué)　儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,合肥　230009）

基于ARM的智能差壓記錄儀的設(shè)計(jì)

徐揚(yáng),湯捷,唐傳高
（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,合肥230009）

摘要：本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外差壓測(cè)量設(shè)備和儀器的優(yōu)點(diǎn)，提出適應(yīng)工業(yè)信息化升級(jí)趨勢(shì)的新型智能差壓記錄儀設(shè)計(jì)方案。該方案采用ARM芯片LPC1768作為主控芯片，艾莫迪差壓傳感器作為壓力感知器件，結(jié)合文件系統(tǒng)和FreeModbus協(xié)議棧以實(shí)現(xiàn)差壓記錄儀的數(shù)字通訊和數(shù)據(jù)記錄功能。

關(guān)鍵詞：差壓測(cè)量；ARM；文件系統(tǒng)；FreeModbus

智能差壓儀表作為常見的計(jì)量?jī)x表，它能夠直接顯示出工業(yè)生產(chǎn)中的各道環(huán)節(jié)的壓力變化大小，觀察產(chǎn)品和介質(zhì)流程條件形成環(huán)境，實(shí)時(shí)監(jiān)視生產(chǎn)運(yùn)行中的相關(guān)安全動(dòng)向[1]，并通過現(xiàn)場(chǎng)儀器網(wǎng)絡(luò)反饋命令給傳感或者自動(dòng)連鎖裝置，構(gòu)建了一道敏捷可靠的安全屏障。為保障人身和財(cái)產(chǎn)安全，防范事故發(fā)生起到了重要作用。因此，廣泛應(yīng)用在鍋爐、除塵器、石油、化工、暖通空調(diào)、治金、電廠等場(chǎng)合的壓力或差壓/負(fù)壓測(cè)量，實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)檢測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景和市場(chǎng)需求。

1　測(cè)量方案的設(shè)計(jì)方案

目前市場(chǎng)上常見的各類壓力檢測(cè)儀表按工作原理分為液柱式、彈性式、負(fù)荷式和電測(cè)式等類型[2]。結(jié)合本文所設(shè)計(jì)的智能差壓儀表的功能需求，從精度、體積、數(shù)字化改造難度和抗干擾性幾個(gè)角度分析來看，液柱式雖然測(cè)量靈敏度高，但測(cè)液易受環(huán)境影響，而且難以進(jìn)行數(shù)字化改造；彈性式與負(fù)荷式都是通過機(jī)械的應(yīng)力形變來測(cè)量壓力，這種方法依賴于機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工精度，而且多數(shù)體積較大。所以最終選用電測(cè)法作為該智能差壓記錄儀的測(cè)量設(shè)計(jì)方案。此方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，改進(jìn)及升級(jí)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性好。并且由于此方案采用電子信號(hào)作為壓力指示輸出，所以進(jìn)行數(shù)字化改造也會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單易行。傳感器選擇方面，考慮到可靠性和穩(wěn)定性，所以需要從目前市場(chǎng)上電測(cè)式壓力表常用的壓電式、壓阻式、振率式和電容式這四種壓力傳感器中選擇。因此通過分析了這幾種傳感器信號(hào)處理難度和配套電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度后，最終選擇了使用美國(guó)艾莫迪公司的G系列微壓差硅半導(dǎo)體壓阻式壓力傳感器。此傳感器具有輸出特性好，配套電路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，并且在法國(guó)KIMO儀表公司的差壓測(cè)量產(chǎn)品上有大量應(yīng)用，可靠性和穩(wěn)定性上也有保證。

2　硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)過程中，采用的是從傳感器開始根據(jù)需求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)的流程。首先由于傳感器輸出信號(hào)為16mV-20mV的直流微電壓信號(hào)，不便直接進(jìn)行信號(hào)處理而且分辨范圍較窄。所以需要經(jīng)過放大電路放大到合適的電壓進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出范圍更寬的數(shù)學(xué)量再進(jìn)行處理[3]。例如采用12位AD可以將外部壓力0-1000Pa轉(zhuǎn)換為0-4096個(gè)量級(jí)的數(shù)字信號(hào)，可以極大的提高傳感器的分辨范圍，同時(shí)采用有源放大電路放大信號(hào)還可以有效的提高信號(hào)的穩(wěn)定性，提高整個(gè)儀器的穩(wěn)定性[4]。在將外部差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為有效的數(shù)字信號(hào)后，需要考慮的是如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于存在數(shù)字濾波，數(shù)據(jù)超限分析，以及數(shù)據(jù)定時(shí)存儲(chǔ)，數(shù)字通訊等功能。如果采用普通的邏輯器件進(jìn)行搭建，系統(tǒng)過于復(fù)雜，而儀器體積的限制也不予許這樣做，所以我們需要功能強(qiáng)大的微控制器作為控制核心，完成以上提到的各項(xiàng)功能。另外例如數(shù)據(jù)顯示，控制命令設(shè)置，歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能還需要各種外部器件配合微控制器才能實(shí)現(xiàn)。所以總結(jié)來說，該智能差壓記錄儀的硬件部分是以微控制器為核心的，配合傳感器放大電路，外部數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，數(shù)據(jù)顯示模塊，總線通訊控制模塊等部分組成。

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件部分，每種功能的實(shí)現(xiàn)實(shí)際上就是一個(gè)一個(gè)對(duì)應(yīng)程序任務(wù)的切換響應(yīng)。所以軟件設(shè)計(jì)部分最重要的是根據(jù)任務(wù)的緊急情況設(shè)計(jì)每種任務(wù)的優(yōu)先級(jí)大小，結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)理論設(shè)計(jì)出合適的整體任務(wù)切換機(jī)制。這樣才能在每種功能都能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，保證更加緊急的任務(wù)得到快速響應(yīng)[5]，實(shí)現(xiàn)外部命令的合理執(zhí)行。

簡(jiǎn)單來說，程序分為初始化模塊，數(shù)據(jù)測(cè)量模塊，標(biāo)志群及數(shù)據(jù)刷新模塊，F(xiàn)lag事件響應(yīng)模塊四個(gè)部分協(xié)同處理實(shí)現(xiàn)。其中初始化模塊完成系統(tǒng)時(shí)鐘、ad模數(shù)轉(zhuǎn)換器、rtc實(shí)時(shí)時(shí)鐘、gpio接口、spi接口，各種定時(shí)器等硬件部分以及文件系統(tǒng)服務(wù)程序和協(xié)議棧等服務(wù)軟件部分設(shè)置初始化。數(shù)據(jù)測(cè)量模塊完成兩項(xiàng)功能，一是用A/D完成傳感器信號(hào)直流電壓信號(hào)到12位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；二是對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和轉(zhuǎn)換計(jì)算得到可以直接顯示的壓力值。標(biāo)志群及數(shù)據(jù)刷新模塊完成各項(xiàng)任務(wù)標(biāo)志位的置位及取消和各項(xiàng)任務(wù)所需的服務(wù)數(shù)據(jù)刷新。Flag事件響應(yīng)模塊對(duì)各項(xiàng)任務(wù)的標(biāo)志位進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的程序模塊執(zhí)行相關(guān)服務(wù)。以上四個(gè)大模塊又包括了若干個(gè)子模塊協(xié)同處理各項(xiàng)任務(wù)。

4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

本差壓記錄儀需要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括超限報(bào)警，數(shù)據(jù)定時(shí)記錄，modbus通訊和時(shí)間設(shè)置功能。在實(shí)驗(yàn)室中，我們將微壓計(jì)的輸出口用乳膠皮管連接到壓力計(jì)的艾莫迪差壓傳感器的輸入端口上，通過作為標(biāo)準(zhǔn)的的微壓計(jì)給我們的智能壓力計(jì)加壓，同時(shí)通過串口連接線將壓力計(jì)與電腦連接。采用這樣的方式，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該差壓計(jì)的功能。通過采用經(jīng)過計(jì)量局標(biāo)定的微壓計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)源。對(duì)本差壓計(jì)進(jìn)行來回加減壓，比對(duì)差壓計(jì)的示數(shù)與微壓計(jì)示數(shù)。收集數(shù)據(jù)制作散點(diǎn)連接圖，如下圖。

差壓儀最大誤差出現(xiàn)在500pa的測(cè)量值附近，為4.0Pa，產(chǎn)品設(shè)定時(shí)要求最大誤差不大于最大量程的0.5%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該差壓記錄儀滿足產(chǎn)品設(shè)定要求。另外通過測(cè)量數(shù)據(jù)的散點(diǎn)連接圖說明了我們的壓力計(jì)具有良好的線性特性。

參考文獻(xiàn)：

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[5]王妮.基于單片機(jī)的數(shù)字式壓力測(cè)量?jī)x的研究[D].西安科技大學(xué),2013.