淺析智能壓力變送器

摘 要：本文給出了智能壓力變送器的概念，并從硬件和軟件兩個方面對智能壓力變送 器的設計進行了分析，本文的研究對于推動我國智能壓力變送器的發展起到了積極的探索意義。

一、智能壓力變送器的概念

所謂智能壓力變送器是指利用傳感器技術進行信號采集，利用通信技術進行信號處理，利用數字信號處理技術進行信號處理，利用微型計算機技術進行數據存儲和運算的智能型壓力變送器處理系統。由于運用了上述先進的技術和理念，智能壓力變送器可以實現對數據的實時獲取和實時處理，并通過事先 編好的程序對操作進行更加實時、精確、 穩定的控制，是硬件和軟件相結合的綜合系統，其高精確性和高穩定性是傳統的壓力變送器無法相比的，具有廣闊的市場前景。

二、智能壓力變送器的硬件設計

智能壓力變送器在硬件上由主控制器、壓力采集、溫度采集、總線通信和電源五部分組成，其中主控制器主要用于對所采集的信號數據進行處理從而實現對其他物理硬件的控制。

由于當前智能壓力變送器的發展 方向是向著高精度、高集成性和高智能化的方向發展，所以對主控制器的性能要求便越來越高。為此，本文選用的C8051F350作為智能壓力變送器硬件系統的核心控制器。這是因為首先C8051F350集成了24位模轉換器以及其他的模數器件能夠滿足系統對分辨率的較高要求以及系統對抗干擾能力的要求；其次C8051F350內集成了8位FLASH存儲器，除了用于存儲程序代碼之外還可以用于非易失性數據存儲，數據寫入時用MOVX指令，讀出時用MOVC指令。這就使得系統不需要再另外配置非易失性數據存儲器，因此簡化了硬件設計，降低了成本。

壓力采集的主要硬件是壓力傳感器，其位置在智能壓力變送器的最前面。壓力傳感器負責將測量的壓力數值首先轉換為電信號，再將電信號經過A/D轉換器轉換成數字信號，然后交送主控制器進行數據處理。由此可見壓力傳感器的好壞將直接決定整個智能壓力變送器的性能十分重要。本文采用的壓力傳 感器是CPS181陶瓷壓力傳感器。這是 由于陶瓷壓力傳感器首先具有很好的抗腐蝕性、抗震動型和抗磨損性，并且可以和絕大多介質直接接觸；其次是陶瓷壓力傳感器具有很好的熱穩定性可以滿足實際工作環境中低溫和高溫的要求；第三陶瓷壓力傳感器輸出信號較強、靈敏度高、絕緣性好能夠滿足長期、穩定的工作要求。

溫度采集的主要硬件是溫度采集傳感器，其主要功能是測量壓力傳感器的工作環境溫度，將采集所得的溫度數 據傳遞給主控制器，主控制器對數據進行分析然后執行發出相關的指令控制其他部件來實現對壓力傳感器工作環境的溫度控制，從而使得壓力傳感器在一個溫度相對穩定的環境下進行工作。本文采用的是DS18B20采集壓力傳感器來完 成這項工作。這是由于DS18B20輸出的直接就是數字信號，從而省略了電信號到數字信號之間的轉換過程，提高了工作效率，使得測量更加具有實時性，另 外，由于DS18B20只占用一個 I/O端口， 所以減少了硬件的體積，提高了系統的可靠性。

總線通訊的主要硬件是進行總線傳輸的相關設計，本文的總線通訊采用過的是RS—485標準，這是由于RS— 485標準支持更遠的傳送距離，更高的傳輸速率以及更強的抗干擾能力。而且為了提高總線通訊的抗干擾能力，在總線末端通過一個短路套接一個匹配電阻，吸收總線上的反射信號，保證信號傳輸無毛刺，大大提高了總選通訊的抗干擾能力。

電源系統是智能壓力變送器的主要動力系統，也是其工作保障的重要環節，電源系統的穩定性和可靠性將直接影響著系統運行的成敗。通常的電源系統主要有兩種，一種是我們日常使用的220伏交流電，一種是一些小型電器使用的24伏直流電。由于本文研究的智能壓力變送器體積較小，主要的硬件都是集成電路板，所以對電壓的要求并不是很高，而對電源的穩定性卻要求較高， 所以本文采用24伏直流電的供電模式， 主要由線性穩壓器實現，線性穩壓電路具有結構簡單、調節方便、輸出電壓穩定性強、紋波電壓小等優點。

三、智能壓力變送器的軟件設計

智能壓力變送器的智能體現在該 系統通過事先編寫好的程序來完成對數據的分析、處理以及對相關硬件的控制。智能壓力變送器的軟件系統主要包括系統主程序、壓力采集模塊、溫度采集模塊、數字濾波處理模塊、通信模塊五個模塊。

系統主程序主要是指系統的操作 界面，用于連接和調用其他獨立的子模塊以及數據初始化的處理。為了保證系統的易維護性和可擴展性，系統采用模 塊設計的開發思想，每個功能獨立的模塊都單獨設計，而為了實現不同模塊之間的數據傳遞和調用，主程序來實現對這些獨立的子模塊進行管理和協調從而 保證整個系統能夠流暢地運行。此外， 在系統正式工作之前，用戶還需要通過主程序來完成一些基礎數據信息的錄 入。

壓力采集模塊是按照初始化設定好的時間間隔對壓力進行測量和傳輸。模塊測量的數據以數組的形式存放在存儲其中，并按照初始化的時間要求傳送給主程序，由主程序傳送給主控制器。

溫度采集模塊同樣是按照事先設定好的時間間隔對壓力采集傳感器的工作溫度進行測量和傳輸，并根據事先設定好的溫度范圍執行相應的溫度補償程序，從而保證壓力采集傳感器的工作溫度穩定。

數字濾波處理模塊是指通過算法來判斷由于隨機干擾而產生的帶有隨機誤差的數據，本文的數據濾波處理采用的是復合濾波算法，其優點是具有更高 的兼容性和更好的濾波效果。

傳統控制系統中的壓力傳感器，大多采用 4 一 20mA 直流模擬信號作為傳輸信號，具有抗干擾能力差，不適合長距離傳輸，成本高、誤差大等缺點。 并且隨著檢測點的增多，給系統的擴充和維修帶來了不便。本文設計的智能壓力變送器可以解決上述問題，單片機C8051F350使用串行通信接口，通過基于RS一 485接口的Modbus通訊協議， 與PC機構成主從式總線型通訊網絡來實現數字通訊，方便靈活的實現了系統 組態功能，提高了系統的抗干擾能力， 擴展了系統功能，節約了布線成本。