基于MSC-51單片機的智能壓力變送器

designapp

摘要：隨著工業應用對信號檢測與傳輸的要求不斷提高，新型智能儀表將在市場中占有越來越重要的地位。本文在分析壓力變送器基本工作原理的基礎上，針對新形勢下的生產要求，設計了基于MSC-51單片機的智能壓力變送器的數據采集電路、看門狗電路以及接口電路。并設計了相應的數據采集算法、通信協議以及其他軟件功能。
關鍵詞：單片機；壓力變送器；數字化智能儀表；數據采集電路
1983年，美國霍尼韋爾公司向制造工業率先推出了以單片機為核心的新一代智能型壓力變送器，這標志著模擬儀表向數字化智能儀表的轉變。如今，高性能單片機的推出以及通訊、微電子等相關行業的興起，使得單片機測控儀表技術邁上了新的臺階，并廣泛地應用到工業生產、科學研究、民用電氣和電站運行監控儀表等各個領域。智能化儀表所具有的測量過程自動化、對測量結果的數據處理以及功能上的多樣化是傳統模擬式儀表無法比擬的優勢。
一套完整的智能化測量控制儀表的組成可包括單片機、A／D、D／A轉換接口，鍵盤輸入接口，顯示器與打印機輸出接口以及通信接口和片外擴展存儲器幾個部分。其中單片機是智能化測量控制儀表的核心，是整套儀表的“心臟”，其性能直接決定了整套系統的功能。
1 基于MSC-51單片機的智能壓力變送器
壓力變送器是工業過程中重要的基礎自動化設備之一，主要完成壓力信號的測量和變換處理。智能式壓力變送器是由壓力傳感器和微處理器相結構而成的。由于微處理器具有各種軟件和硬件功能，因而它可以完成傳統變送器難以完成的任務。所以智能式變送器降低了傳感器的制造難度，并在很大程主上提高了傳感器的性能。智能壓力變送器工作原理如圖1所示。


2 硬件電路設計
智能壓力變送器的硬件電路主要包括數據采集電路設計、看門狗電路設計、總線接口及外設接口電路設計等部分，其構成如圖2所示。

2．1 數據采集電路
數據采集電路由1B31，18位A／D轉換器AD1170以及單片機共同構成，結構如圖3所示。將一只滿量程輸出電壓為10 mV的壓力變送器接到1B31上，設定1B31的增益為500倍，輸出電壓范圍就是0～5 V。激勵電壓設定為+5 V，為了能進行比率運算，這個電壓還作為AD1170的基準電壓，通過初始化ECAL命令可將該電壓作為AD1170的滿量程輸入電壓，再通過周期性校準使A／D轉換器能跟隨基準電壓的變化，具有比率輸出特性。由于采用了低通濾波和A／D轉換技術，因此該系統具有很高的共模抑制比。

2．2 復位及運行監視電路
工業環境中的干擾大多是以窄脈沖的形式出現，而最終導致程序“跑飛”或進入“死循環”。為使這種“跑飛”的程序自動恢復，重新正常工作，一種有效的辦法是采用硬件“看門狗”(Watchdog Timer)技術。應用看門狗后，若程序發生“死機”，則看門狗產生復位信號，引導單片機程序重新進入正常運行。由于MCS-51單片機內部沒有集成獨立的監視定時器，也就是看門狗，所以必須外接監視電路以提高系統的可靠性。看門狗電路可采用專用集成電路芯片MAX813L，如圖4所示。MAX813L集成了看門狗與電壓監控功能，并具有單獨的人工復位功能，其引腳排列如圖5所示。

2．3 總線接口電路設計
該部分電路為通信協議物理層硬件設計。其中光電隔離部分采用高光速電耦合器6N137，以適應高速串行數據通信要求，提高通信電路的抗干擾能力；接口部分采用ADM487芯片，這是一種RS-485接口芯片，如圖6所示。該芯片在傳輸率為250kpbs的情況下可傳輸的最遠距離為1．5KM，可完成TTL電平與RS-485電平之間的轉換。采用RS-485標準是因為RS-485是現在流行的一種布網方式，其特點是實施簡單方便，在很長一段時間內RS-485還將是最主要的組網方式。

2．4 V／I變換電路設計
該部分電路主要由多通道模擬開關，采樣保持器及放大電路組成，具有多路轉換，采樣保持以及V／I變換功能。由于對輸出電壓等比放大較為困難，故先將數字電壓信號經過DAC接口，再經過V／I變換，轉換為電流量，為后續處理提供方便。V／I變換采用負載共源方案，如圖7所示。

2．5 外設接口電路設計
外設接口電路主要包括顯示屏、鍵盤、打印機等輸入輸出設備的電路設計，可根據總線接口的排布以及用戶的需求靈活設計。
3 軟件電路設計
智能壓力變送器的軟件部分采用MCS-51匯編語言、模塊化程序設計方法，主要有監控程序模塊、信號調節模塊、數據采集與處理模塊、信號輸出模塊、通信模塊、鍵盤掃描模塊等。
3．1 程序監控模塊
該系統中，監控程序是控制單片機系統按預定操作方式運轉的程序，是全部系統程序的基礎框架，如圖8所示。其主要任務是完成系統自檢、初始化、處理接口命令、處理條件觸發并完成顯示功能。在監控程序中，為及時響應其他儀器的通信要求，應將通信功能的優先級置為最高，以下依次為定時采集數據、數據輸出等。總體而言，監控程序采用優先調度型工作模式，即遵循優先級運行。

3．2 數據采集模塊
在數據采集方面，該系統利用單片機強大的數據處理能力，對數據采集的過程進行優化，以確保數據的可靠性。
1)采用限幅濾波法消除較大脈沖的干擾，具體是對已濾波的采樣結果Yn-1……Y1作如下處理：


其中，a為相鄰兩個采樣值的最大允許增量，其具體數值由Y的變化速率及采樣周期確定。準確的估計這兩個參數以確定a值是本算法的關鍵。
2)采用自動校準算法穩定傳感器的線性度。自動校準主要解決的是斜率問題。可分為硬件方式或軟件方式，考慮到被測對象是壓力這一特點，本系統采用軟件方式實現。通過雙字節乘／除子程序來計算系數K。由于不同的傳感器的壓力與轉換電壓關系有一定的分散性，對于實測值為X，標準值為Y，的系統，設系數為K。則K=1-Y／X，校準值=X-K*X。
3)采用自校正算法消除零點漂移的影響，以保證數據的準確性。設總的A／D轉換輸出為N，對應t1、t2、t3時刻的漂移電壓為Vos1、Vos2、Vos3，按下式處理：


4)為更好消除脈沖干擾的影響，系統采用去極值平均濾波法，即連續采樣7次，累加求和的同時找出最大值和最小值，并從累加和中減去這兩個結果，最終按5個采樣值求得平均值作為最終的有效值。
3．3 抗干擾軟件模塊
為防止程序的跑飛，除了在硬件上接入看門狗外接電路以監控程序運行，也應該同時在軟件設計時加入一些抗干擾功能。可以采用冗余指令、軟件陷阱、以及看門狗喂狗程序實現程序的自監控、自復位，提高程序整體的穩定性。
1)冗余指令法
該方法可以使程序在跑飛時，在執行單字節的指令后自動納入正軌。因此應多用單字節的指令，在可以決定程序流向的重要指令前加兩條NOP指令，形成指令冗余，例如：
NOP
NOP
LJMP(RET／JZ／JNZ／LCALL等指令均可)DELAY；延時子程序
2)軟件陷阱
當程序位于非程序區(空閑EPROM段，表格段等)時，冗余指令法將失去作用，此時可以構建一個軟件陷阱，將跑飛的程序引導到一個指定位置，并設定專門的處理程序來解決。
NOP
NOP
LJMP ERR1： 1號錯誤處理程序入口
4 結束語
在分析壓力變送器基本工作原理的基礎上，設計了一種基于MSC-51單片機的智能壓力變送器。它充分利用了微處理器的運算和存儲能力，可對傳感器的數據進行處理，包括對測量信號的調理、數據顯示、自動校正和自動補償。設計了包括基于1831．18位A／D轉換器AD1170的數據采集電路、基于MAX813L的看門狗電路以及基于ADM487的RS-485總線接口電路，并給出相應的軟件設計思路，詳盡的采樣算法和抗干擾模塊指令。