吳根平 王 浩 劉志宏 黃 柳 華鍇瑋 高政新
(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064)(2.中國人民解放軍92351部隊(duì)02分隊(duì) 三亞 572016)
壓力變送器作為可用作氣壓、液壓、壓力差等物理量的測量,具有優(yōu)良的性能和出色的穩(wěn)定性,廣泛應(yīng)用于船舶工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)壓力變送器采用工業(yè)過程控制領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的4mA~20mA 模擬電流輸出及HART 協(xié)議半數(shù)字輸出方式,只能單向傳輸,信道為一對一,已逐漸不能滿足現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)間信息交換的需求[2]。
在全數(shù)字化、智能化的工業(yè)4.0時(shí)代,工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的數(shù)字化具有重要意義。將工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的模擬傳輸?shù)膲毫ψ兯推鲾?shù)字化改造為數(shù)字式壓力變送器,是時(shí)間短、見效快實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的重要舉措。針對模擬傳輸型壓力變送器數(shù)字化改造需求,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種小體積的、高精度的、數(shù)字式的壓力測量模塊,可嵌入安裝于壓力變送器內(nèi),實(shí)現(xiàn)壓力變送器的數(shù)字化。
壓力測量模塊總體方案如圖1所示,主要包括電源電路、微處理器電路、信號(hào)調(diào)理電路、CAN通信電路等部分。電源電路將外部電源轉(zhuǎn)換為其他電路所需電源并供電。信號(hào)調(diào)理電路將輸入的4mA~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)變換為微處理器電路可采集的電壓信號(hào),經(jīng)微處理器內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換并由軟件濾波處理,通過CAN 通信電路將信息輸出到外部CAN通信總線。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
電源電路主要功能為通過將24V 直流電源變換為5V、±15V 等電源,為模塊內(nèi)部的其他電路提供電源。通過WRB2405S 芯片將直流24V 電源轉(zhuǎn)換為直流5V 電源供微處理器電路的直流5V 電源通過WRB2405S芯片實(shí)現(xiàn);CAN通信電路使用的直流5V 電源通過MAU122 芯片實(shí)現(xiàn);信號(hào)調(diào)理電路使用的±15V電源通過MAU129芯片實(shí)現(xiàn)。
微處理器電路主要功能為通過附帶電路實(shí)現(xiàn)微處理器自身基礎(chǔ)運(yùn)行。微處理器選用MC9XS128 系列單片機(jī)的芯片,該芯片供電電源為直流5V,電源抗干擾能力強(qiáng),且內(nèi)部包含12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器及CAN 通信控制器,可極大簡化外圍電路。微處理器復(fù)位選用TPS3808G50復(fù)位芯片。采用16MHz 無源晶振方式,啟振通過外接兩個(gè)18pF對稱電容實(shí)現(xiàn)。
信號(hào)調(diào)理電路主要功能為將標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)通過電流電源變換后轉(zhuǎn)為合理范圍內(nèi)的電壓信號(hào)。4mA~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)為壓力傳感器輸出,電流轉(zhuǎn)換電壓通過精密的10Ω采樣電阻實(shí)現(xiàn)。信號(hào)源端與采樣終端的完全電氣隔離,采用高可靠隔離性好的AMC1100 電流傳感芯片實(shí)現(xiàn)。后級(jí)通過運(yùn)算放大器OPA2227 電路,進(jìn)一步將壓力信號(hào)放大為0V~4.5V電壓信號(hào)送入微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
因CAN 通信控制器由微處理器內(nèi)部自帶,CAN 通信電路僅需實(shí)現(xiàn)CAN 通信驅(qū)動(dòng)器部分電路。CAN通信驅(qū)動(dòng)器選用帶隔離的、抗干擾性強(qiáng)的CTM1051芯片,將邏輯電平轉(zhuǎn)換為差分電平并通過CANH引腳和CANL引腳輸出。
壓力變送器壓力測量模塊運(yùn)行的軟件為直接嵌入式軟件,主要包括兩個(gè)模塊:一是初始化與定期中斷程序模塊,二是模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊組成。整個(gè)軟件按照GJB5000A標(biāo)準(zhǔn)完成軟件開發(fā)和工程管理,在CodeWarrior 開發(fā)環(huán)境中完成程序的所有編寫、編譯、調(diào)試及下載。
初始化與定期中斷程序模塊功能主要包括系統(tǒng)各模塊的初始化,以及設(shè)置并啟動(dòng)定時(shí)器中斷服務(wù)程序。系統(tǒng)上電后,首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化并開啟定時(shí)器。其次,定時(shí)周期性地采集模擬信號(hào)并將信號(hào)量化處理,后根據(jù)通過CAN 總線接收的外部控制系統(tǒng)指令將信息發(fā)送給外部控制系統(tǒng)。初始化過程中,將模/數(shù)采集工作模式配置為獨(dú)立模式、開啟單通道轉(zhuǎn)換、軟件觸發(fā)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)右對齊,設(shè)置ADC 的采樣周期為50ms。整體軟件流程如圖2所示。
圖2 初始化與定期中斷程序模塊流程圖
模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊功能主要是完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,并完成相應(yīng)的信號(hào)處理。在微處理器自帶的16路模/數(shù)轉(zhuǎn)換通道中選擇其中的三路轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行模/數(shù)采集。前兩路采集通道為有效信號(hào)采集通道,第三路采集通道采集5V 基準(zhǔn)電壓,以實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度的軟件數(shù)值校正。模/數(shù)采集完成后,需對轉(zhuǎn)換值進(jìn)行濾波的數(shù)據(jù)處理,選用滑動(dòng)窗口濾波算法,即將最新的10 組轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)換值,去掉一個(gè)最大值、一個(gè)最小值后,將其余8 個(gè)轉(zhuǎn)換值進(jìn)行算術(shù)平均?;瑒?dòng)窗口濾波完成后,為進(jìn)一步提高采集轉(zhuǎn)換精度,對采集轉(zhuǎn)換值再進(jìn)一步進(jìn)行分段線性校準(zhǔn)。模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理模塊流程圖如圖3所示。
圖3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換與處理程序模塊流程圖
為驗(yàn)證壓力測量模塊與壓力變送器物理接口尺寸的匹配性,圖4給出了壓力測量模塊嵌入安裝于壓力變送器的實(shí)際效果,由圖可知壓力測量模塊與壓力變送器物理接口尺寸匹配。
圖4 壓力測量模塊實(shí)際安裝圖
為驗(yàn)證壓力測量模塊的模擬信號(hào)采集精度,設(shè)計(jì)制作了三塊壓力測量模塊,完成了三塊壓力測量模塊的4mA~20mA 電流范圍內(nèi)典型電流點(diǎn)的模擬信號(hào)采集試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖可知,4mA~20mA 電流范圍內(nèi)的典型采樣點(diǎn)的采集精度高于0.25%,采集轉(zhuǎn)換精度高。
圖5 模擬信號(hào)采集誤差圖
針對只能單向傳輸、信道一對一的傳統(tǒng)模擬傳輸壓力變送器已逐漸不能滿足現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)間信息交換的現(xiàn)象,本文基于數(shù)字化手段,采用CAN總線方式,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可嵌入式安裝于壓力變送器內(nèi)部的、小體積的、高精度的、數(shù)字式的壓力測量模塊。該壓力測量模塊與壓力變送器的電氣、機(jī)械安裝接口均能良好匹配,在4mA~20mA整個(gè)電流范圍內(nèi)均具備較高的采集精度,可用于傳統(tǒng)壓力變送器數(shù)字化改造,可有效提升現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)信息交換的效率與可靠度。