基于dsPIC33F的礦用本質安全型智能壓力傳感器

龍先江

（中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

隨著煤礦井下自動化程度的提高以及智能化的使用，傳感器數量和種類不斷增加，對傳感器的要求也隨之提高。常規傳感器在現場很難或無法進行標定，時間久了還存在漂移、環境變化補償固定不變、長距離傳輸容易受干擾、數據不易共享等問題，同時，控制器也無法判斷傳感器的工作狀態是否正常。智能傳感器可以有效地解決常規傳感器存在的問題。智能傳感器以微控制器（MCU）為核心，具有故障診斷、單站點多種數據采集、在線標定和遠程升級等功能。

1 電路構成和工作原理

如圖1所示，傳感器電路由敏感元件、信號調理電路、數字信號控制器、溫度傳感器和通信接口組成。電路構成框圖如圖1所示。敏感元件檢測壓力變化并輸出對應的電信號，該信號經信號調理電路變換到合適電壓范圍內，供控制器采集，控制器根據測量壓力值和環境溫度值，計算出實際壓力值，完成壓力測量值的溫度補償，同時，控制器還要判斷壓力值是否在正常范圍內，并對其進行標識。除了圖1所示基本環節外，還有傳感器工作電源。

圖1 電路構成框圖

1.1 電源電路

傳感器系統供電如圖2所示，采用直流12 V本質安全型電源模塊供電，系統所需的其他電壓等級均由12 V電源降壓轉換而來。

壓力敏感元件和儀表放大器工作時功率小，采用電阻網絡分壓得到10 V電壓，再經電壓跟隨器緩沖輸出驅動即可。

圖2 電源

對于工作電流稍大的用電部件供電，先使用開關電源將12 V降壓到3.6 V，再用低壓差線性穩壓芯片降壓到3.3 V，不僅提供電源工作效率，還能增大傳感器工作電壓范圍。直流3.6 V電源由MICROCHIP公司的MCP 16331開關電源集成芯片，外加少量元件降壓得到，其效率高達96%，輸入電壓4.4～50 V，輸出電壓2～24 V，最大輸出電流500 mA，工作頻率500 kHz，高頻率有利于電源小型化。

CPU使用的3.3 V電源，由TI公司生產的TPS799低壓差線性穩壓芯片進行二次穩壓，輸出端安裝一個2.2 uF陶瓷電容保證穩定工作。TPS799輸出200 mA時，輸入、輸出端的壓差大于100 mV即可正常工作；入地電流（從圖2中U2的第3腳流入地）40 μA時，電源抑制比和負載瞬態響應能力出色，線性穩壓器效率大約為92%，12 V電源降到3.3 V電壓的總效率約為88%.

1.2 敏感元件

采用麥克傳感器公司的MPM270型高穩高精度壓力敏感元件，它能直接感受壓力的變化，并輸出與被測壓力成確定關系的電信號，電路結構如圖3所示，壓力敏感元件為一個4端口元件，其中IN+和IN-為內部元件的電源輸入端口，OUT+和OUT-為測量壓力的電壓信號輸出端口；非線性度±0.05%FS，重復性±0.02%FS，10%～90%量程內響應時間小于1 ms，滿量程輸出最小60 mV，工作溫度－40～125℃。

1.3 信號調理

圖3 敏感元件及信號調理

信號調理電路以ADI公司的儀表放大器AD8422為核心，AD8422是一款高精度、低功耗、低噪聲軌到軌儀表放大器，單電源電壓3.6～36 V；儀表放大器外圍含精密電阻和電容，將敏感元件輸出的電信號濾波、放大，將輸出電壓范圍調整到0～3.3 V范圍內，數字信號控制器集成的ADC模塊可以直接采樣并完成模/數轉換。

1.4 數字信號控制器

MICROCHIP公司生產的dsPIC33F系列數字信號控制器，它集成了單片機（MCU）的控制功能以及數字信號處理器（DSP）的計算能力和數據吞吐能力。

數字信號控制器芯片選用18引腳的dsPIC33FJ12GP201，芯片采用改進型哈佛體系結構，程序存儲器和數據存儲器在不同的邏輯空間，同時使用指令總線和數據總線分離的哈佛總線結構，指令存儲器和數據存儲器可以同時訪問，指令總線位寬24位，數據總線位寬16位；芯片支持16×16整數、小數硬件乘法器，32/16位和16/16位除；同時芯片內部還集成多種模塊，比如看門狗電路、RC振蕩電路、轉換速率為0.5 Msps的12位模/數轉換器、1個I2C串行通信接口、1個UART口、12 Kb Flash ROM和1 Kb RAM等。DSC及外圍如圖4所示。

圖4DSC及外圍

1.5 溫度傳感器

DS1624芯片將數字溫度計與EEPROM集成一體，實現溫度測量和數據存儲；溫度測量范圍－55～125℃，分辨率為0.031 25℃，256字節EEPROM存儲空間；兩線串行通信接口和處理器通信，可以讀取溫度值、讀寫內部EEPROM的內容，溫度值用于測量數據的溫度補償，同時也可以通過總線發送，進行輔助溫度測量。

1.6 通信接口

傳感器使用RS485串行通信接口，在RS485上實現MODBUS協議從站，便于傳感器和其他系統互聯；差分工作方式的RS485，最大傳輸速率10 Mbps，最大傳輸距離1 200 m。RS485的端頭和端尾，需要匹配終端，最簡單的終端就是短接120 Ω電阻，如圖4中的電阻R7。

收發器使用ADM3483E集成芯片，最大波特率250 kbps，具有±15 kV的靜電放電保護能力，還提供接收器開路保護、短路保護和熱關斷保護等，提高互聯時的魯棒性。

2 軟件設計

傳感器作為MODBUS從站掛接在RS485網絡上，主要軟件包括主循環程序和通信中斷子程序。

2.1 主循環

如圖5所示，程序主循環中壓力采集與溫度采集必須讀取相鄰時刻的值，讀取時應該關閉中斷，讀完才能開中斷服務，保證數據的有效性；數據處理主要完成溫度補償、數字濾波、線性化等工作；傳感器在每個循環周期都標識自身工作狀態，用以通知用戶此時此刻采集數據是否真實有效。

2.2 通信中斷程序

圖5 主要流程

傳感器通信中斷過程如圖5所示，通信數據出現在串行端口時，傳感器串口會自動接收數據并產生中斷，此時，CPU停止正在處理的工作，及時處理中斷響應，在中斷服務函數中判斷“收到消息”是否有效，傳感器只在接收到MODBUS主站發來的有效消息時才會回復消息（發送數據）；其他時候不會向總線發送任何消息。主要流程如圖5所示。傳感器使用主/從架構協議模式的MODBUS從站，其工作過程：主站發送查詢報文然后等待從站響應→從站收到報文后執行相應的動作并發送報文→主站接收報文→一次報文發送接收過程結束。傳感器通信幀格式如圖6所示，地址域為傳感器地址，功能碼指明操作類型，數據段包含壓力值、溫度值和傳感器狀態等內容，差錯校驗為CRC（RTU模式）或LRC（ASCII碼模式）。

圖6 通信幀格式

3 結束語

傳感器以dsPIC33F數字信號控制器為核心，壓力值的模/數轉換、數字濾波、溫度補償和串行通信等單芯片實現，不僅體積小，還能減少裝配工序，增加可靠性；傳感器數據輸出采用通信接口，同一線路可以同時輸出壓力值和溫度值，稍微改動便可實現單站點內多數據采集；由于傳感器是基于RS485標準的MODBUS協議從站，理論上任何基于RS485的MODBUS協議主站設備都能與其互連，具有廣闊的推廣前景。