基于ARM的智能差壓記錄儀的設計

徐　揚,湯　捷,唐傳高（合肥工業大學　儀器科學與光電工程學院,合肥　230009）

基于ARM的智能差壓記錄儀的設計

徐揚,湯捷,唐傳高
（合肥工業大學儀器科學與光電工程學院,合肥230009）

摘要：本文結合國內外差壓測量設備和儀器的優點，提出適應工業信息化升級趨勢的新型智能差壓記錄儀設計方案。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，結合文件系統和FreeModbus協議棧以實現差壓記錄儀的數字通訊和數據記錄功能。

關鍵詞：差壓測量；ARM；文件系統；FreeModbus

智能差壓儀表作為常見的計量儀表，它能夠直接顯示出工業生產中的各道環節的壓力變化大小，觀察產品和介質流程條件形成環境，實時監視生產運行中的相關安全動向[1]，并通過現場儀器網絡反饋命令給傳感或者自動連鎖裝置，構建了一道敏捷可靠的安全屏障。為保障人身和財產安全，防范事故發生起到了重要作用。因此，廣泛應用在鍋爐、除塵器、石油、化工、暖通空調、治金、電廠等場合的壓力或差壓/負壓測量，實現過程自動檢測，具有廣闊的應用發展前景和市場需求。

1　測量方案的設計方案

目前市場上常見的各類壓力檢測儀表按工作原理分為液柱式、彈性式、負荷式和電測式等類型[2]。結合本文所設計的智能差壓儀表的功能需求，從精度、體積、數字化改造難度和抗干擾性幾個角度分析來看，液柱式雖然測量靈敏度高，但測液易受環境影響，而且難以進行數字化改造；彈性式與負荷式都是通過機械的應力形變來測量壓力，這種方法依賴于機械結構的加工精度，而且多數體積較大。所以最終選用電測法作為該智能差壓記錄儀的測量設計方案。此方案具有結構簡單，改進及升級簡單，可擴展性好。并且由于此方案采用電子信號作為壓力指示輸出，所以進行數字化改造也會相對簡單易行。傳感器選擇方面，考慮到可靠性和穩定性，所以需要從目前市場上電測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處理難度和配套電路實現的復雜度后，最終選擇了使用美國艾莫迪公司的G系列微壓差硅半導體壓阻式壓力傳感器。此傳感器具有輸出特性好，配套電路簡單易實現的優點，并且在法國KIMO儀表公司的差壓測量產品上有大量應用，可靠性和穩定性上也有保證。

2　硬件設計

硬件設計過程中，采用的是從傳感器開始根據需求進行模塊化設計的流程。首先由于傳感器輸出信號為16mV-20mV的直流微電壓信號，不便直接進行信號處理而且分辨范圍較窄。所以需要經過放大電路放大到合適的電壓進入AD轉換器進行轉換，輸出范圍更寬的數學量再進行處理[3]。例如采用12位AD可以將外部壓力0-1000Pa轉換為0-4096個量級的數字信號，可以極大的提高傳感器的分辨范圍，同時采用有源放大電路放大信號還可以有效的提高信號的穩定性，提高整個儀器的穩定性[4]。在將外部差壓信號轉換為有效的數字信號后，需要考慮的是如何對數據進行處理。由于存在數字濾波，數據超限分析，以及數據定時存儲，數字通訊等功能。如果采用普通的邏輯器件進行搭建，系統過于復雜，而儀器體積的限制也不予許這樣做，所以我們需要功能強大的微控制器作為控制核心，完成以上提到的各項功能。另外例如數據顯示，控制命令設置，歷史數據儲存等功能還需要各種外部器件配合微控制器才能實現。所以總結來說，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，外部數據儲存器，數據顯示模塊，總線通訊控制模塊等部分組成。

3　軟件設計

軟件部分，每種功能的實現實際上就是一個一個對應程序任務的切換響應。所以軟件設計部分最重要的是根據任務的緊急情況設計每種任務的優先級大小，結合有限狀態機理論設計出合適的整體任務切換機制。這樣才能在每種功能都能實現的同時，保證更加緊急的任務得到快速響應[5]，實現外部命令的合理執行。

簡單來說，程序分為初始化模塊，數據測量模塊，標志群及數據刷新模塊，Flag事件響應模塊四個部分協同處理實現。其中初始化模塊完成系統時鐘、ad模數轉換器、rtc實時時鐘、gpio接口、spi接口，各種定時器等硬件部分以及文件系統服務程序和協議棧等服務軟件部分設置初始化。數據測量模塊完成兩項功能，一是用A/D完成傳感器信號直流電壓信號到12位數據的轉換；二是對得到的數據進行數字濾波和轉換計算得到可以直接顯示的壓力值。標志群及數據刷新模塊完成各項任務標志位的置位及取消和各項任務所需的服務數據刷新。Flag事件響應模塊對各項任務的標志位進行監視，當發現有任務需要執行時，進入對應的程序模塊執行相關服務。以上四個大模塊又包括了若干個子模塊協同處理各項任務。

4　實驗數據及結論

本差壓記錄儀需要實現的功能主要包括超限報警，數據定時記錄，modbus通訊和時間設置功能。在實驗室中，我們將微壓計的輸出口用乳膠皮管連接到壓力計的艾莫迪差壓傳感器的輸入端口上，通過作為標準的的微壓計給我們的智能壓力計加壓，同時通過串口連接線將壓力計與電腦連接。采用這樣的方式，實驗驗證該差壓計的功能。通過采用經過計量局標定的微壓計作為標準源。對本差壓計進行來回加減壓，比對差壓計的示數與微壓計示數。收集數據制作散點連接圖，如下圖。

差壓儀最大誤差出現在500pa的測量值附近，為4.0Pa，產品設定時要求最大誤差不大于最大量程的0.5%。實驗數據表明，該差壓記錄儀滿足產品設定要求。另外通過測量數據的散點連接圖說明了我們的壓力計具有良好的線性特性。

參考文獻：

[1]馮向東.淺析壓力表產業的現狀及發展[J].中國電子商務,2011,18(03):73-74.

[2]袁克萍.壓力表選用、使用及標準器的選型[J].科技信息,2008,28(21):189-192.

[3]陳群欣.半導體壓阻式壓力傳感器信號調理的研究[D].廈門大學,2012. [4]艾玲.基于MSP430單片機的數字式壓力表的設計與實現[D].東北大學,2013.

[5]王妮.基于單片機的數字式壓力測量儀的研究[D].西安科技大學,2013.