智能壓力變送器的設計與實現

王政

【摘要】：智能壓力變送器在工業的測量和控制過程中起著非常重要的作用，應用也很廣泛，可以測量各種介質在液體、氣體與蒸汽的壓力、差壓和絕壓，而且測量結果比較精確，成為工業生產必不可少的設備儀器。為了滿足市場的需求，可以使變送器帶有總線的功能，這樣更方便操作控制，實現高精度的測量。本文主要從智能壓力變送器的概述、智能壓力變送器的硬件設計與實現和智能壓力變送器的軟件設計與實現這三個方面做了詳細的闡述。

【關鍵詞】：智能壓力變送器；硬件設計；軟件設計

一、智能壓力變送器的概述

智能壓力變送器在工業的測量和控制過程中起著非常重要的作用，應用也很廣泛，可以測量各種介質在液體、氣體與蒸汽的壓力、差壓和絕壓，而且測量結果比較精確，成為工業生產必不可少的設備儀器。智能壓力變送器主要有頂部和底部兩部分組成，頂部都是電子部件，像電路板、軟件和HMI等都在頂部，主要是處理傳感器的信號；底部主要是由傳感器構成，傳感器主要分為壓力傳感器和溫度傳感器。本文主要說的是壓力傳感器，壓力傳感器的種類有硅壓阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器和諧振硅傳感器這四種。

智能壓力變送器不僅體積小、重量輕、而且測量結果比較精確，還具有通訊功能，對現場的各種狀況能及時顯示出來，這樣實現了人機的交流。它的功能主要體現在以下幾個方面：首先是硬件方面，智能壓力變送器主要將微處理器技術與數字通信相結合，充分利用了先進的科學技術，并且應用了A/D轉換器和集成電路，這些所占空間比較小，從而使智能壓力變送器具有體積小、性能高的特點，這也是它與模擬變送器的最大不同之處；其次，在性能指標上，智能壓力變送器的性能要比模擬壓力變送器的性能高很多，在生產過程中變送器一單出現非一致性就會使變送器的輸入和輸出出現問題，這樣通過使用一些軟件進行改進從而使性能不斷提高，精度性也越來越好；再次是在線組態。

一、 智能壓力變送器的硬件設計與實現

根據壓力變送器的傳感器原理、結構和設計機構不同，種類也多種多樣，對于智能壓力變送器硬件的電路板設計開發主要是電路板計算機輔助設計軟件。智能壓力變送器的工作原理是：首先通過壓力傳感器測量被測介質的壓力，然后通過轉換器將信號轉換為模擬量電信號，再將信號傳送到單片機，單片機將這些信號處理后經過數模轉換器和HART通信電路處理，使這些壓力和溫度的參數轉換成了4-20mA的標準直流信號，這樣就能將這些數據信息及進行及時的處理。

對智能傳感器的硬件設計與實現首先是壓力傳感器，一般采用的是電容式傳感器，它具有很好的抗沖擊性和抗震動性，能夠使檢測結果更穩定和準確；其次是溫度采樣電路，將高精度的溫度傳感器嵌入到智能壓力傳感器的金屬密封室里，能夠提高精度和變送器由于環境影響而產生的非線性補償功能；再次是微處理器，它是硬件系統設計中的核心部分，也是硬件設計中最關鍵的一個環節；大多數智能傳感器采用單片機微處理器，具有很強大的功能，不僅功耗低、運行快、精度高，而且價格合理，應用十分廣泛；然后是通訊模塊，通常采用HART現場通訊協議，該協議就是在模擬的4-20mA的信號上疊加一個數字信號，其信號交流是對稱的，對模擬信號不會產生干擾；最后是HMI人際界面，通常采用LCD作為現場知識來顯示參數和組態信息，通過LCD的顯示能夠提高對系統的監控和設備系統的維護，LCD顯示器是將LCD面板與LCD驅動器結合在一起然后再將其連接到單片機的控制窗口，LCD的控制主要是通過參數初始化、循環主程序和屏幕刷新程序進行控制的。

二、 智能壓力變送器的軟件設計與實現

智能壓力變送器的軟件結構一般是嵌入式的結構，其運行程序是按照相應的流程進行王府循環，如果遇到突發事件就會終端的一種結構。智能壓力變送器的軟件編寫主要使用模塊化的結構，軟件結構主要分為監控程序、測控程序和通信程序。其中監控程序是整個軟件系統的核心部分，關系到整個系統的控制和運行，它包括指示表頭檢測、系統自檢測和初始化，測量控制程序主要包括輸出數據、k洗漱補償、輸入數據和數據采集，通信程序主要包括應用層實現、通信發送和通信接受這三個部分。

首先是對溫度補償程序的設計，本文主要此阿勇電容式的傳感器，它的測量精度會由于外部環境的變化而發生很大改變，因此要對其進行溫度補償，可以通過神經網絡法和最小二乘法對其進行計算，計算結果為溫度補償在-20-70攝氏度；其次是對k系數程序設計，由于電容式的傳感器制造工藝存在不足使其性能得不到保證，有時候用同一個量程段，在輸出上就會有誤差，因此一般采用A/D采樣值進行轉換，使測量范圍與量程有對應的關系；再次是要對線性化程序設計，該部分主要是采用高精度的標準壓力源對傳感器的零點進行補償，來對輸出特性進行特征化處理從而而不斷達到輸出特性的設計要求；最后是對HART通訊程序進行設計，該協議的數據格式為前導碼的字節長度為5-20，定界符，、命令字節和校驗字節的字節長度都為1，地址的字節程度為1-5，數據的長度為0-25，響應的字節長度為2。

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