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          基于HART協議的高精度單晶硅壓力變送器

          發布時間:2020-12-09     瀏覽次數:
          摘要:微電子機械加工系統技術的日趨成熟為傳感器行業帶來一場新的革命。具有高穩定性的單晶硅傳感器在壓力測量方面運用,打開了壓力變送器的中高端市場。單晶硅壓力傳感器檢測外界壓力,電子電路采集與壓力成對應關系的電壓信號,軟件溫度補償及線性校正,并將將壓力轉變成4~20mA電流信號輸出,基于HART協議通信,實現參數修改及過程控制。單晶硅壓力變送器的高精度、高穩定性、低溫度影響、超高過壓等優異性能,適用于工業過程控制、自動化制造、航天航空、汽車與船舶、醫療衛生等眾多領域。
                 傳統電容式壓力傳感器因其結構特性,改進空間有限,而隨著單晶硅傳感器技術的發展,本公司對相關技術的掌握,開拓了壓力變送器的市場,形成了規?;纳a,其外形如圖1所示。
          單晶硅壓力變送器外形示意圖
                 單晶硅壓力變送器采用單晶硅壓力傳感器芯片,被測壓力直接作用于單晶硅傳感器的隔離膜片上,使膜片產生與壓力成正比的微位移,通過硅油傳導至單晶硅傳感器芯片上,使傳感器對應于所傳入的壓力輸出一個相對應的差分信號,由微處理器內部的高精度AD模塊放大轉換成數字量,并且通過單晶硅壓力傳感器內部集成的溫度傳感器采集溫度用于溫度非線性補償,以及專用通信芯片構成HART通信電路,在軟件程序的支持下完成所需的測量及通訊任務。壓力信號處理后輸出與單晶硅壓力傳感器所對應的壓力成線性關系的標準4~20mA輸出的電信號,并且符合HART協議通訊,實現參數設定及過程控制。
          1壓力變送器硬件設計及實現
          1.1硬件原理設計
                 被測介質的壓力作用于單晶硅壓力傳感器上,通過信號檢測電路將其轉換為直流電信號,通過信號調理轉換為一定幅度的電壓信號,經A/D轉換為數字量傳送至MCU處理,壓力及溫度信號經微處理器的數據處理,程序運算,并經D/A轉換以及HART通信電路處理,將壓力及溫度參數轉換成所需要的4~20mA標準直流電流信號及符合HART協議的數字信號,并調制在二線制電流信號上,提供給用戶使用,同時驅動LCD液晶顯示器實時顯示。在變送器電路中設置了專門用于存儲傳感器特征信息的存儲器芯片,用于傳感器出廠特征數據的保存實現關鍵參數冗余保護。如圖2所示。
          單晶硅壓力變送器硬件原理圖示
          1.2單晶硅傳感器模塊
                 單晶硅壓力傳感器內部封裝的傳感器芯片的本質將決定最終產品的性能與等級。本文中的傳感器采用德國先進的MEMS技術制成的高穩定性單晶硅傳感器芯片,懸浮式設計,內嵌德國原裝進口測壓膜盒與信號處理模塊,使信號具有極高的一致性,減少裝配應力引起的誤差,具有較高的穩定性。單晶硅壓力傳感器的輸出靈敏度高、信號量大,并且電路設計較為簡潔可靠,與傳統金屬電容式傳感器相比較,具有很好的回差特性,線性誤差曲線的回差極小,基本可以忽略不計。單晶硅壓力傳感器內部集成有隨溫度線性變化的二極管,測量溫度用于溫度補償參考,可在大范圍內的靜壓和溫度下提供極高的測量精度和穩定性。
          1.3信號處理模塊
                 智能壓力變送器信號處理模塊主要由MCU微處理器、A/D轉換、D/A輸出、存儲器等部分組成。
                 本設計選用一款具有超低功耗功能強大的單片機,具有豐富的片上外圍模塊、強大的運算處理能力、中斷資源多,開發方式方便高效。MCU內含一個24位高精度Σ-Δ型ADC,信號單端/差分輸入,內部1.2V基準電壓源,適用于傳感器信號轉換處理。高精度AD將傳感器模塊檢測輸出的模擬電信號轉換為數字信號,交由MCU芯片處理,主控芯片完成線性化,溫度補償等相關計算功能后,相關的AD值,PV值等數據存放在存儲器中,由HART信號實現同上位機的通信和數據交換,并且通過LCD液晶屏就地顯示。
                 4~20mA轉換輸出選用了低功耗、高精度的D/A轉換芯片AD5421。4~20mA電流環的16位DA轉換器,與HART協議兼容,并且具有可編程的報警電流輸出,在兩線制智能變送器中是一個非常理想的電流環芯片,滿足智能變送器的工業控制標準信號輸出。
          1.4HART通信模塊
                 HART協議通信模塊主要由HART調制解調芯片和D/A轉換器AD5421及其外圍電路實現。本設計采用低功耗的AD5700作為HART調制解調器。芯片內部集成了符合Bell202標準的調制器、解調器、接收濾波器、發送信號整形電路、載波檢測等電路便于構建滿足HART協議物理層。
          2壓力變送器軟件設計及實現
          2.1軟件功能設計
                 軟件由任務分配引擎、中斷系統處理、硬件驅動程序、HART協議棧、HART任務處理、AD/DA任務處理、干簧管按鍵處理模塊組成,如圖3所示。

                 任務分配引擎以5ms的定時器中斷為時間基準,進行任務的執行分配,然后將對應數據進行綜合處理后,顯示在液晶面板、存儲于鐵電存儲器以及進行HART數據傳輸?;谲浖K框圖的主函數流程示意圖如圖4所示。

          軟件功能主要分為三個部分:
          1)壓力以及溫度信號的采集、處理和變送;
          2)HART通信,進入中斷,識別和響應通信信號,包含數據鏈路層、應用層和層間接口等部分程序;
          3)LCD液晶顯示,按鍵就地調零、數據讀取及存儲等。
          2.2軟件溫度補償算法
                 用于壓力測量的傳感器,因其材料的固有特性,普遍存在著溫度漂移和非線性等問題。為了實現輸入與輸出的線性化,要對采集的數字信號進行溫度補償與校正,而補償方法及校正技術的選擇直接決定變送器的輸出精度及可靠性。
                 針對溫度影響,采集傳感器輸出數字信號,運用MATLAB對大量的數據樣本仿真建模,發現單晶硅壓力傳感器輸出值誤差隨著環境溫度取樣點和輸入壓力取樣點的變化,呈現非線性曲面特征。對比分析各種數值分析方法,找到一種智能算法結合自主開發的自動溫度補償軟件平臺,很好地解決此類問題,此算法能夠根據散亂數據點發現和保持曲面的本質結構和特征,樣本數據量小,計算不復雜。對原始數字信號,經過溫度補償算法輸出修正溫度影響后的數字信號,進入非線性校正即可實現將數字信號轉換成壓力值。此算法精度高且具有普遍適用性。
          2.3軟件非線性化處理
                 在常溫25℃情況下,采集量程的0%、25%、50%、75%、100%共5壓力點的AD值,采用分段線性的方法標定,實現AD數字量轉換出對應壓力物理量。其他溫度點的AD碼值需先經溫度補償修正后為新的AD值,然后將此AD值轉換成對應的壓力值輸出。如圖5所示。

          3測量結果分析
                 本文選取壓力測量范圍為:0~200kPa,工作溫度范圍為-20~70℃。由以上實驗數據可以看出,單晶硅壓力傳感器本身良好的穩定性加上創新的軟件溫度補償算法,最終測量結果具有很高的精度,達到全溫度范圍全量程范圍內滿足0.075%的精度,完整修正了溫度的影響。如表1所示。

          4結束語
                 本文介紹了單晶硅壓力變送器,融入創新的溫度補償算法,實現單晶硅壓力傳感器高穩定性、高精度輸出,其準確度等級達到了最高等級的0.05級,其部分性能甚至超越了國外發達國家的變送器水平?,F場總線HART協議的使用,可以實現現場設備數據的修改及遠程控制的智能化,拓寬了公司產品系列,增強了市場競爭力。
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