基于MSC-51單片機的智能壓力變送器

摘要：隨著(zhù)工業(yè)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(chǎng)中占有越來(lái)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(chǎn)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(mén)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(xié)議以及其他軟件功能。
關(guān)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(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(zhù)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(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，并廣泛地應用到工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、民用電氣和電站運行監控儀表等各個(gè)領(lǐng)域。智能化儀表所具有的測量過(guò)程自動(dòng)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(wú)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轉換接口，鍵盤(pán)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(gè)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(yè)過(guò)程中重要的基礎自動(dòng)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(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(mén)狗電路設計、總線(xiàn)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(mǎn)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(jìn)行比率運算，這個(gè)電壓還作為AD1170的基準電壓，通過(guò)初始化ECAL命令可將該電壓作為AD1170的滿(mǎn)量程輸入電壓，再通過(guò)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(shù)，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(yè)環(huán)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(jìn)入“死循環(huán)”。為使這種“跑飛”的程序自動(dòng)恢復，重新正常工作，一種有效的辦法是采用硬件“看門(mén)狗”(Watchdog Timer)技術(shù)。應用看門(mén)狗后，若程序發(fā)生“死機”，則看門(mén)狗產(chǎn)生復位信號，引導單片機程序重新進(jìn)入正常運行。由于MCS-51單片機內部沒(méi)有集成獨立的監視定時(shí)器，也就是看門(mén)狗，所以必須外接監視電路以提高系統的可靠性?？撮T(mén)狗電路可采用專(zhuān)用集成電路芯片MAX813L，如圖4所示。MAX813L集成了看門(mén)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(xiàn)接口電路設計
該部分電路為通信協(xié)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(wǎng)方式，其特點(diǎn)是實(shí)施簡(jiǎn)單方便，在很長(cháng)一段時(shí)間內RS-485還將是最主要的組網(wǎng)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(kāi)關(guān)，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(jīng)過(guò)DAC接口，再經(jīng)過(guò)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(pán)、打印機等輸入輸出設備的電路設計，可根據總線(xiàn)接口的排布以及用戶(hù)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(yǔ)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(pán)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(wù)是完成系統自檢、初始化、處理接口命令、處理條件觸發(fā)并完成顯示功能。在監控程序中，為及時(shí)響應其他儀器的通信要求，應將通信功能的優(yōu)先級置為最高，以下依次為定時(shí)采集數據、數據輸出等?？傮w而言，監控程序采用優(yōu)先調度型工作模式，即遵循優(yōu)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(guò)程進(jìn)行優(yōu)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(gè)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(gè)參數以確定a值是本算法的關(guān)鍵。
2)采用自動(dòng)校準算法穩定傳感器的線(xiàn)性度。自動(dòng)校準主要解決的是斜率問(wèn)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)，本系統采用軟件方式實(shí)現。通過(guò)雙字節乘／除子程序來(lái)計算系數K。由于不同的傳感器的壓力與轉換電壓關(guān)系有一定的分散性，對于實(shí)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(diǎn)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(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，系統采用去極值平均濾波法，即連續采樣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(mén)狗外接電路以監控程序運行，也應該同時(shí)在軟件設計時(shí)加入一些抗干擾功能?？梢圆捎萌哂嘀噶?、軟件陷阱、以及看門(mén)狗喂狗程序實(shí)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(shí)，在執行單字節的指令后自動(dòng)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(shí)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(shí)，冗余指令法將失去作用，此時(shí)可以構建一個(gè)軟件陷阱，將跑飛的程序引導到一個(gè)指定位置，并設定專(zhuān)門(mén)的處理程序來(lái)解決。
NOP
NOP
LJMP ERR1： 1號錯誤處理程序入口

4 結束語(yǔ)
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(jìn)行處理，包括對測量信號的調理、數據顯示、自動(dòng)校正和自動(dòng)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(mén)狗電路以及基于A(yíng)DM487的RS-485總線(xiàn)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。