基于MSC-51單片機(jī)的智能壓力變送器

摘要：隨著工業(yè)應(yīng)用對信號檢測與傳輸?shù)囊蟛粩嗵岣?，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(chǔ)上，針對新形勢下的生產(chǎn)要求，設(shè)計(jì)了基于MSC-51單片機(jī)的智能壓力變送器的數(shù)據(jù)采集電路、看門狗電路以及接口電路。并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集算法、通信協(xié)議以及其他軟件功能。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；壓力變送器；數(shù)字化智能儀表；數(shù)據(jù)采集電路

    1983年，美國霍尼韋爾公司向制造工業(yè)率先推出了以單片機(jī)為核心的新一代智能型壓力變送器，這標(biāo)志著模擬儀表向數(shù)字化智能儀表的轉(zhuǎn)變。如今，高性能單片機(jī)的推出以及通訊、微電子等相關(guān)行業(yè)的興起，使得單片機(jī)測控儀表技術(shù)邁上了新的臺階，并廣泛地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、民用電氣和電站運(yùn)行監(jiān)控儀表等各個(gè)領(lǐng)域。智能化儀表所具有的測量過程自動化、對測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能上的多樣化是傳統(tǒng)模擬式儀表無法比擬的優(yōu)勢。
    一套完整的智能化測量控制儀表的組成可包括單片機(jī)、A／D、D／A轉(zhuǎn)換接口，鍵盤輸入接口，顯示器與打印機(jī)輸出接口以及通信接口和片外擴(kuò)展存儲器幾個(gè)部分。其中單片機(jī)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(tǒng)的功能。

1 基于MSC-51單片機(jī)的智能壓力變送器
    壓力變送器是工業(yè)過程中重要的基礎(chǔ)自動化設(shè)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(jié)構(gòu)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(tǒng)變送器難以完成的任務(wù)。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(shè)計(jì)
    智能壓力變送器的硬件電路主要包括數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)、看門狗電路設(shè)計(jì)、總線接口及外設(shè)接口電路設(shè)計(jì)等部分，其構(gòu)成如圖2所示。

2．1 數(shù)據(jù)采集電路
    數(shù)據(jù)采集電路由1B31，18位A／D轉(zhuǎn)換器AD1170以及單片機(jī)共同構(gòu)成，結(jié)構(gòu)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(shè)定1B31的增益為500倍，輸出電壓范圍就是0～5 V。激勵(lì)電壓設(shè)定為+5 V，為了能進(jìn)行比率運(yùn)算，這個(gè)電壓還作為AD1170的基準(zhǔn)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(zhǔn)使A／D轉(zhuǎn)換器能跟隨基準(zhǔn)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(zhuǎn)換技術(shù)，因此該系統(tǒng)具有很高的共模抑制比。

2．2 復(fù)位及運(yùn)行監(jiān)視電路
    工業(yè)環(huán)境中的干擾大多是以窄脈沖的形式出現(xiàn)，而最終導(dǎo)致程序“跑飛”或進(jìn)入“死循環(huán)”。為使這種“跑飛”的程序自動恢復(fù)，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(shù)。應(yīng)用看門狗后，若程序發(fā)生“死機(jī)”，則看門狗產(chǎn)生復(fù)位信號，引導(dǎo)單片機(jī)程序重新進(jìn)入正常運(yùn)行。由于MCS-51單片機(jī)內(nèi)部沒有集成獨(dú)立的監(jiān)視定時(shí)器，也就是看門狗，所以必須外接監(jiān)視電路以提高系統(tǒng)的可靠性?？撮T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(jiān)控功能，并具有單獨(dú)的人工復(fù)位功能，其引腳排列如圖5所示。

2．3 總線接口電路設(shè)計(jì)
    該部分電路為通信協(xié)議物理層硬件設(shè)計(jì)。其中光電隔離部分采用高光速電耦合器6N137，以適應(yīng)高速串行數(shù)據(jù)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?shù)淖钸h(yuǎn)距離為1．5KM，可完成TTL電平與RS-485電平之間的轉(zhuǎn)換。采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)是因?yàn)镽S-485是現(xiàn)在流行的一種布網(wǎng)方式，其特點(diǎn)是實(shí)施簡單方便，在很長一段時(shí)間內(nèi)RS-485還將是最主要的組網(wǎng)方式。

2．4 V／I變換電路設(shè)計(jì)
    該部分電路主要由多通道模擬開關(guān)，采樣保持器及放大電路組成，具有多路轉(zhuǎn)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(shù)字電壓信號經(jīng)過DAC接口，再經(jīng)過V／I變換，轉(zhuǎn)換為電流量，為后續(xù)處理提供方便。V／I變換采用負(fù)載共源方案，如圖7所示。

2．5 外設(shè)接口電路設(shè)計(jì)
    外設(shè)接口電路主要包括顯示屏、鍵盤、打印機(jī)等輸入輸出設(shè)備的電路設(shè)計(jì)，可根據(jù)總線接口的排布以及用戶的需求靈活設(shè)計(jì)。

3 軟件電路設(shè)計(jì)
    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(shè)計(jì)方法，主要有監(jiān)控程序模塊、信號調(diào)節(jié)模塊、數(shù)據(jù)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(jiān)控模塊
    該系統(tǒng)中，監(jiān)控程序是控制單片機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定操作方式運(yùn)轉(zhuǎn)的程序，是全部系統(tǒng)程序的基礎(chǔ)框架，如圖8所示。其主要任務(wù)是完成系統(tǒng)自檢、初始化、處理接口命令、處理?xiàng)l件觸發(fā)并完成顯示功能。在監(jiān)控程序中，為及時(shí)響應(yīng)其他儀器的通信要求，應(yīng)將通信功能的優(yōu)先級置為最高，以下依次為定時(shí)采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)輸出等?？傮w而言，監(jiān)控程序采用優(yōu)先調(diào)度型工作模式，即遵循優(yōu)先級運(yùn)行。

3．2 數(shù)據(jù)采集模塊
    在數(shù)據(jù)采集方面，該系統(tǒng)利用單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，對數(shù)據(jù)采集的過程進(jìn)行優(yōu)化，以確保數(shù)據(jù)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(jié)果Yn-1……Y1作如下處理：
   
    其中，a為相鄰兩個(gè)采樣值的最大允許增量，其具體數(shù)值由Y的變化速率及采樣周期確定。準(zhǔn)確的估計(jì)這兩個(gè)參數(shù)以確定a值是本算法的關(guān)鍵。
    2)采用自動校準(zhǔn)算法穩(wěn)定傳感器的線性度。自動校準(zhǔn)主要解決的是斜率問題?？煞譃橛布绞交蜍浖绞?，考慮到被測對象是壓力這一特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用軟件方式實(shí)現(xiàn)。通過雙字節(jié)乘／除子程序來計(jì)算系數(shù)K。由于不同的傳感器的壓力與轉(zhuǎn)換電壓關(guān)系有一定的分散性，對于實(shí)測值為X，標(biāo)準(zhǔn)值為Y，的系統(tǒng)，設(shè)系數(shù)為K。則K=1-Y／X，校準(zhǔn)值=X-K*X。
    3)采用自校正算法消除零點(diǎn)漂移的影響，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。設(shè)總的A／D轉(zhuǎn)換輸出為N，對應(yīng)t1、t2、t3時(shí)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(tǒng)采用去極值平均濾波法，即連續(xù)采樣7次，累加求和的同時(shí)找出最大值和最小值，并從累加和中減去這兩個(gè)結(jié)果，最終按5個(gè)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(jiān)控程序運(yùn)行，也應(yīng)該同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)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?qū)崿F(xiàn)程序的自監(jiān)控、自復(fù)位，提高程序整體的穩(wěn)定性。
    1)冗余指令法
    該方法可以使程序在跑飛時(shí)，在執(zhí)行單字節(jié)的指令后自動納入正軌。因此應(yīng)多用單字節(jié)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(shí)子程序
    2)軟件陷阱
    當(dāng)程序位于非程序區(qū)(空閑EPROM段，表格段等)時(shí)，冗余指令法將失去作用，此時(shí)可以構(gòu)建一個(gè)軟件陷阱，將跑飛的程序引導(dǎo)到一個(gè)指定位置，并設(shè)定專門的處理程序來解決。
    NOP
    NOP
    LJMP ERR1： 1號錯(cuò)誤處理程序入口

4 結(jié)束語
    在分析壓力變送器基本工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于MSC-51單片機(jī)的智能壓力變送器。它充分利用了微處理器的運(yùn)算和存儲能力，可對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對測量信號的調(diào)理、數(shù)據(jù)顯示、自動校正和自動補(bǔ)償。設(shè)計(jì)了包括基于1831．18位A／D轉(zhuǎn)換器AD1170的數(shù)據(jù)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(yīng)的軟件設(shè)計(jì)思路，詳盡的采樣算法和抗干擾模塊指令。