周世年，龔元明

（上海工程技術(shù)大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引言

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，壓力監(jiān)測必不可少［1-2］。目前市場上采用的壓力變送系統(tǒng)測量精度低，響應速度慢，無法在高濕度等惡劣環(huán)境下連續(xù)測量小信號壓力波動。為提高壓力變送系統(tǒng)測量精度和響應速度，王金晨等［3］基于MSP430 單片機研究并實現(xiàn)了高精度微功耗數(shù)字壓力表，采用干電池供電可連續(xù)工作3 000h；仝新建等［4］針對4～20mA 工業(yè)電流環(huán)的測溫精度不足問題設(shè)計一種電阻溫度探測器數(shù)字電流環(huán)變送器，通過在特定溫度區(qū)域的溫度補償實現(xiàn)測溫的溫差小于0.1℃；湛月等［5］針對特種氣體制備過程低溫監(jiān)控需求，研究低溫鉑電阻的測量問題，使用高精度ADS1120 轉(zhuǎn)換器設(shè)計基于鉑電阻的二線制低溫變送器，實現(xiàn)穩(wěn)定的低溫4.2～370K 的測量，系統(tǒng)測量絕對誤差小于0.1%；唐德紅等［6］為提高傳統(tǒng)壓力變送系統(tǒng)測量精度和響應速度，針對高溫熔體設(shè)計一種高精度熔體壓力變送系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測精度高，測量誤差小于2%。

本文針對現(xiàn)有壓力變送系統(tǒng)測量精度低、響應速度慢，而水務管網(wǎng)流體壓力監(jiān)測信號小、數(shù)據(jù)波動不明顯、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備供電困難等問題，基于STM32 微控制器設(shè)計一種適用于小信號流體監(jiān)測的智能壓力變送系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用鋰電池供電，高精度電阻式應變壓力傳感器和高精度A/D 轉(zhuǎn)換器，通過軟件平均濾波方法實現(xiàn)對流體壓力的精準監(jiān)測。

1 壓力變送器總體設(shè)計

流體壓力變送器由采集壓力波動的壓力傳感器、信號處理的A/D 轉(zhuǎn)換器、接收轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并處理的STM32 電路和顯示數(shù)字壓力值的OLED 顯示屏4 個部分組成［7-8］。

系統(tǒng)獨特性體現(xiàn)在以下3 個方面：①將壓力傳感器輸出信號與STM32 的快速處理能力相結(jié)合；②通過外接高精度A/D 轉(zhuǎn)換芯片完成對壓力傳感器輸出模擬電壓信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；③通過軟件平均濾波方法對系統(tǒng)輸出電壓進行補償，進一步提高系統(tǒng)的檢測精度。

壓力變送器整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

Fig.1 Overall structure of pressure transmitter圖1 壓力變送器整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工作過程：①壓力傳感器通過四線橋式電路設(shè)計測出水流壓力的波動變化；②通過與壓力傳感器相連的A/D 轉(zhuǎn)換器經(jīng)橋式電路輸入電壓模擬信號，經(jīng)信號處理后，通過SPI 總線傳給STM32；③STM32 根據(jù)計算公式處理A/D轉(zhuǎn)換器的電壓值，并通過OLED 屏實時顯示出來。

2 壓力變送器硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由金屬電阻應變式壓力傳感器、信號處理電路、顯示電路以及電源電路組成。電源模塊為各模塊提供穩(wěn)定電源，壓力傳感器先進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換電路的信號處理后送入STM32 再次進行濾波處理，最后通過OLED 輸出顯示數(shù)字電壓值。

系統(tǒng)硬件框架如圖2 所示。

Fig.2 System hardware framework圖2 系統(tǒng)硬件框架

2.1 電源供電

考慮到監(jiān)測水流壓力波動時電線供電不方便，所以本文采用3.6V 鋰電池給整個系統(tǒng)供電。電池給STM32 和A/D 轉(zhuǎn)換器供電，A/D 轉(zhuǎn)換器的激勵電流給壓力傳感器恒流供電。

2.2 壓力傳感器選型

根據(jù)流體在供水管道中壓力波動較小的特點，選用在高濕度環(huán)境下能適應小信號的金屬電阻應變式壓力傳感器［9-10］。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、采樣精度高、受溫度影響小等優(yōu)點，適合高濕度環(huán)境下的信號測量［11-12］。本文選用MPM281VC 型壓力敏感元件，其為恒壓供電、標準輸出，且全部為不銹鋼材質(zhì)，適合多種流體介質(zhì)。

2.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路

由于供水流量變化較固定且供水管道壓力波動信號較小，所以本文選用一款適合小信號測量的ADS1120 芯片用于供水管道流體壓力監(jiān)測，其精密程度達到16 位，最高采樣頻率達到512 kHz，多路復用器可實現(xiàn)任意組合通道的數(shù)據(jù)采集。

為配合壓力傳感器的四線橋式接口，要設(shè)計與之對應的電阻橋式測量電路［13-14］。本文將AIN0 通道作為恒流電壓輸入端口，AIN2 通道和AIN3 通道分別作為負信號端口和正信號端口，從AIN1 通道處飛線引出，測試ADS1120是否正常工作。STM32 通過SPI 總線接口與ADS1120 進行數(shù)據(jù)交互。在SPI 通信端口中，ADS1120 的CS 是器件片選端口，DRDY 是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)的標志端口。硬件電路如圖3 所示。

Fig.3 A/D conversion circuit圖3 A/D 轉(zhuǎn)換電路

3 壓力變送器軟件設(shè)計

基于硬件進行壓力變送器相應的軟件設(shè)計。首先STM32CUBEMX 對系統(tǒng)時鐘和引腳配置進行初始化，然后開啟ADS1120 的SPI 通信，由STM32 發(fā)送控制命令獲取ADS1120 芯片傳回的二進制壓力數(shù)值，最后STM32 處理完數(shù)據(jù)之后，通過調(diào)用OLED 顯示函數(shù)完成壓力數(shù)值的實時監(jiān)測。具體流程如下：①初始化SPI 通信；②選中ADS1120芯片，通過寫命令配置4 個寄存器；③通過開始轉(zhuǎn)換命令，使16 位A/D 轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換；④將得到的二進制壓力數(shù)值通過SPI 通信傳給STM32 微控制器；⑤最后微控制器根據(jù)ADS1120 對應的轉(zhuǎn)換公式計算出數(shù)字壓力值；⑥調(diào)用OLED 顯示函數(shù)實時顯示壓力值。

3.1 初始化SPI 通信

首先對ADS1120 的SPI 通信進行初始化。SPI 通信配置為：STM32 主模式（ADS1120 從模式）、全雙工通信、8 位字節(jié)傳輸，時鐘極性和時鐘相位，軟件控制，MSB（Most Sig?nificant Bit）二進制數(shù)據(jù)的最高位發(fā)送等。

部分程序如下：

3.2 寄存器配置

首先下拉CS 引腳選中芯片，然后通過給芯片發(fā)送WREG 命令，依次配置4 個寄存器。注意在配置每個寄存器之前都要先給芯片發(fā)一個WREG 命令（同時WREG 命令需要考慮到每個寄存器的偏移）。

部分程序如下：

3.3 A/D 轉(zhuǎn)換器工作

首先STM32 發(fā)送START 命令，使模式轉(zhuǎn)換器開始工作；然后STM32 發(fā)送RDATA 命令與兩個0XFF 字節(jié)，使模式轉(zhuǎn)換器回傳兩個數(shù)據(jù)字節(jié)給STM32。

因為SPI 通信使用MSB（二進制數(shù)據(jù)的最高位），所以STM32 接收到的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)是高字節(jié)，接收到的第二個數(shù)據(jù)字節(jié)是低字節(jié)。

部分程序如下：

3.4 公式計算

STM32 將收到的二進制壓力數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓值。橋式電路的LSB size 對應的轉(zhuǎn)換公式如下：

式（1）選用的基準電壓Vref 為3.6V，增益倍數(shù)Gain 為1。代碼如下：

3.5 OLED 顯示

調(diào)用OELD 顯示函數(shù)顯示數(shù)字電壓值，代碼如下：

4 實驗數(shù)據(jù)分析

為驗證壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性［15-16］，本文分別對A/D 轉(zhuǎn)換電路和壓力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)精度進行測試。

4.1 A/D 轉(zhuǎn)換電路精度測試

測試AIN1 通道在不同增益倍數(shù)及是否開啟數(shù)字濾波器情況下的數(shù)據(jù)，測試結(jié)果及誤差如表1 所示。

測試流程如下：①從ADS1120 的AIN1 通道接入電壓；②OLED 顯示電壓數(shù)值；③比較分析接入電壓和輸出電壓的數(shù)值，得出誤差。

Table 1 Test results and errors表1 測試結(jié)果及誤差

由實驗所得結(jié)果可以看出：①A/D 轉(zhuǎn)換電路的單通道測量精度很高；②隨著增益倍數(shù)的增加，誤差越來越小，原因可能是軟件代碼的精度配置不夠準確；③數(shù)字濾波器開啟使得誤差減少。數(shù)據(jù)表明實驗室環(huán)境中存在噪聲，且數(shù)字濾波器對噪音起到了一定的濾波作用。

總體來說，測試結(jié)果誤差都小于0.1%，A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計滿足了小信號壓力值的測試精度要求。

4.2 壓力變送系統(tǒng)精度測試

供水管道壓力的正常范圍一般為0～2.5MPa，在該區(qū)間段每增加0.5MPa 記錄一次數(shù)據(jù)，測試結(jié)果及誤差如表2所示。

Table 2 Test results and errors表2 測試結(jié)果及誤差

由實驗結(jié)果可知：①物理量與模擬輸出量成比例關(guān)系，說明壓力傳感器在0～2.5MPa 的范圍內(nèi)正常工作，適合流體的小信號測量；②模擬輸出量與數(shù)字電壓量相差3%以下，說明壓力變送系統(tǒng)［17-18］測量精度尚可，壓力變送系統(tǒng)設(shè)計符合預期。

5 結(jié)語

本文針對市面上出現(xiàn)的傳統(tǒng)壓力變送系統(tǒng)存在測量精度低、響應速度慢，而水務管網(wǎng)流體壓力監(jiān)測［19-20］信號量小、數(shù)據(jù)波動不明顯、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備供電困難等問題，設(shè)計了一種基于STM32 的高精度流體壓力變送系統(tǒng)。該壓力變送系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場水務管道供電困難問題，采用鋰電池供電和A/D 轉(zhuǎn)換器激勵電流供電，硬件電路設(shè)計均使用低功耗芯片，大大延長了電池使用壽命。實際測試表明：壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換和STM32 處理，能夠?qū)崟r準確監(jiān)測供水管道壓力，系統(tǒng)響應速度快、穩(wěn)定性高，達到了預期的設(shè)計目標。