當前位置:首頁 > 通信技術(shù) > 通信技術(shù)
[導(dǎo)讀]摘要:隨著工業(yè)應(yīng)用對信號檢測與傳輸?shù)囊蟛粩嗵岣撸滦椭悄軆x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)計了基于MSC-51單片機的智能壓力變送器的

摘要:隨著工業(yè)應(yīng)用對信號檢測與傳輸?shù)囊蟛粩嗵岣撸滦椭悄軆x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)計了基于MSC-51單片機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;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(shù)字化智能儀表的轉(zhuǎn)變。如今,高性能單片機的推出以及通訊、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、民用電氣和電站運行監(jiān)控儀表等各個領(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、A/D、D/A轉(zhuǎn)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(tǒng)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(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
   
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、看門狗電路設(shè)計、總線接口及外設(shè)接口電路設(shè)計等部分,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。激勵電壓設(shè)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(zhuǎn)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(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”,則看門狗產(chǎn)生復(fù)位信號,引導(dǎo)單片機程序重新進入正常運行。由于MCS-51單片機內(nèi)部沒有集成獨立的監(jiān)視定時器,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
   
該部分電路為通信協(xié)議物理層硬件設(shè)計。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標準是因為RS-485是現(xiàn)在流行的一種布網(wǎng)方式,其特點是實施簡單方便,在很長一段時間內(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
   
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變換采用負載共源方案,如圖7所示。


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

3 軟件電路設(shè)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(shè)計方法,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系統(tǒng)按預(yù)定操作方式運轉(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、處理條件觸發(fā)并完成顯示功能。在監(jiān)控程序中,為及時響應(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)利用單片機強大的數(shù)據(jù)處理能力,對數(shù)據(jù)采集的過程進行優(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。準確的估計這兩個參數(shù)以確定a值是本算法的關(guān)鍵。
    2)采用自動校準算法穩(wěn)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(tǒng)采用軟件方式實現(xiàn)。通過雙字節(jié)乘/除子程序來計算系數(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,對于實測值為X,標準值為Y,的系統(tǒng),設(shè)系數(shù)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(shù)據(jù)的準確性。設(shè)總的A/D轉(zhuǎn)換輸出為N,對應(yīng)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(tǒng)采用去極值平均濾波法,即連續(xù)采樣7次,累加求和的同時找出最大值和最小值,并從累加和中減去這兩個結(jié)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(jiān)控程序運行,也應(yīng)該同時在軟件設(shè)計時加入一些抗干擾功能??梢圆捎萌哂嘀噶睢④浖葳?、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,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;延時子程序
    2)軟件陷阱
    當程序位于非程序區(qū)(空閑EPROM段,表格段等)時,冗余指令法將失去作用,此時可以構(gòu)建一個軟件陷阱,將跑飛的程序引導(dǎo)到一個指定位置,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)計了一種基于MSC-51單片機智能壓力變送器。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(shù)據(jù)進行處理,包括對測量信號的調(diào)理、數(shù)據(jù)顯示、自動校正和自動補償。設(shè)計了包括基于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)計思路,詳盡的采樣算法和抗干擾模塊指令。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點,本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫毥谦F公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關(guān)鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關(guān)鍵字: 汽車 人工智能 智能驅(qū)動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險,如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機 衛(wèi)星通信

要點: 有效應(yīng)對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實提質(zhì)增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強核心競爭優(yōu)勢...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運營商 數(shù)字經(jīng)濟

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術(shù)學(xué)會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(shù)(集團)股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉