壓力變送器抗干擾軟件設計

摘要：針對礦用壓力變送器采集值易受環(huán)境影響而產(chǎn)生異常值，設計了一種抗干擾能力強的軟件方案，介紹了軟件設計流程。把采集到的壓力信號轉換為電信號，通過(guò)Ａ／Ｄ采樣電路，將采樣模擬信號通過(guò)選定的定斜率直線(xiàn)分段分割，再通過(guò)選定的中位值平均濾波算法進(jìn)行軟件濾波優(yōu)化，對采樣芯片采集到的Ａ／Ｄ值進(jìn)行換算處理，非常后將這些值轉換為代碼字符串進(jìn)行通信傳輸，此算法在實(shí)際應用中取得了良好的效果。

引言

   礦用壓力變送器現場(chǎng)使用中需要安裝在不同口徑的管道上面，用不同的量程對管道里面的液體或氣體進(jìn)行壓力的采集測試，在對壓力采集的過(guò)程中，三暢變送器會(huì )受到諸如電磁、環(huán)境溫度、腐蝕、振動(dòng)、沖擊等因素的影響，從而使變送器采集值產(chǎn)生誤差，例如零點(diǎn)飄逸、滿(mǎn)刻度飄逸等，如何避免或降低這些誤差的產(chǎn)生，這個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題，就需要用不同方式的濾波和嵌入式軟件程序在算法上進(jìn)行處理，從而保證壓力變送器采集值的正確性。礦用壓力變送器抗干擾軟件設計，對３種軟件濾波算法進(jìn)行了對比，通過(guò)對比采用了中位值平均濾波算法，并闡述和講解了軟件設計中的ＲＳ４８５通信協(xié)議規約和系統的通信流程。

１　壓力變送器Ａ／Ｄ轉換

    Ａ／Ｄ轉換是通過(guò)一定的電路將采集到的模擬量信號轉變?yōu)閿底至啃盘柌⑦M(jìn)行存儲的一種電路轉換方式。Ａ／Ｄ轉換技術(shù)是現實(shí)各種模擬信號通向數字世界的橋梁，作為將模擬信號轉換成數字信號的Ａ／Ｄ有積分、逐次逼近、并行等幾種方式可以采取。

     本文所研究的壓力變送器Ａ／Ｄ采樣轉換是通過(guò)分段的方式將一定范圍內的電壓值所對應的壓力值，按照線(xiàn)性關(guān)系，以２１２的計數方式對采樣的電壓０．５～４．５Ｖ信號進(jìn)行分割分段處理，然后轉換為數字量，進(jìn)而存儲在１２位的寄存器中，等待ＣＰＵ對數據的隨時(shí)調用。對電壓采樣信號的Ａ／Ｄ值如何進(jìn)行分割分段。

Ａ／Ｄ采樣分段分割對應處理

２　壓力變送器濾波處理

    在壓力變送器進(jìn)行Ａ／Ｄ采樣轉換過(guò)程中，會(huì )受到外界不同脈沖信號對其采樣的干擾，即造成壓力采樣值出現不精確甚至計數錯誤。所以，對不正常的干擾信號進(jìn)行濾波很有必要。信號濾波包括硬件濾波和軟件濾波２種方式。硬件濾波一般采用ＬＣ諧振電路或者ＲＣ網(wǎng)絡(luò )作為濾波器件，硬件濾波一般對異性波進(jìn)行過(guò)濾，而對同頻率同幅值周期不一致的難以過(guò)濾去除，那么此時(shí)采用數字濾波就會(huì )很好地處理這種情況。

    數字濾波就是通過(guò)一定的計算或判斷程序減少干擾信號在有用信號中的比重，因此它實(shí)際上是一個(gè)軟件程序濾波，常用的濾波方式有算術(shù)平均值濾波法、限幅濾波、中位值平均濾波法、低通濾波、高通濾波等，通過(guò)信號濾波以及軟件程序算法對采樣信號的處理，可以把正確的采樣值存儲在寄存器中，等待核心ＣＰＵ對其調用。以下重點(diǎn)對３種濾波法進(jìn)行詳細講述。

２．１　算術(shù)平均值濾波法

    算術(shù)平均值濾波算法其流程為：采樣值進(jìn)入中斷或者查詢(xún)，然后把采到的Ａ／Ｄ值放入緩存或寄存器Ｂｕｆｆｅｒ，從第１次計數累計采樣次數，退出中斷或者查詢(xún)；然后再進(jìn)入下一次循環(huán)，等累計采樣次數達到要求時(shí)，此輪采樣結束；非常后把采樣值進(jìn)行算數平均計算，從而得出一個(gè)采樣實(shí)時(shí)數據。其采樣存儲一次數據流程如圖２所示。

Ａ／Ｄ采樣存儲一次數據流程

    采樣Ｍ次完成后，程序就對所采樣的值進(jìn)行算術(shù)平均數據計算，Ｍ次數據累加和得出數據ＳＵＭ，然后再進(jìn)行Ｍ次算術(shù)平均值計算，非常后得出一個(gè)采樣周期的算術(shù)平均值Ｖａｌｅ，其算法主要代碼如下：

    此算法適用于對一般具有隨機干擾的信號進(jìn)行濾波，采集到的信號會(huì )在某一數值范圍附近上下波動(dòng)，但是對于測量速度較慢或要求數據計算速度較快的實(shí)時(shí)控制不太適用，并且這種算法比較浪費ＲＡＭ。

２．２　限幅濾波

    限幅濾波算法流程：先確定２次采樣允許的非常大偏差值（設為Ｄ），每次檢測到新值時(shí)進(jìn)行判斷。先把第１次的采樣值進(jìn)行存儲，每次檢測到新值就與上次的值相減，如果差值≤Ｄ，則此次值有效，如果差值＞Ｄ則此次值無(wú)效，丟棄此次值，用上次采樣值代替本次值。

２．３　中位值平均濾波法

     中位值平均濾波算法的流程為：按照平均算術(shù)濾波算法的流程，連續采樣Ｍ個(gè)數據，分別確定Ｍ個(gè)數據中的非常大值和非常小值，然后丟棄非常大值和非常小值，再計算Ｍ－２個(gè)數據的算術(shù)平均值，把此采樣周期內的值放入寄存器，以供隨時(shí)進(jìn)行調用。中位值平均算法流程如圖４所示。

     此算法可去除偶然出現的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，但是測量速度較慢，和算術(shù)平均濾波法一樣，比較占用ＲＡＭ空間。

     礦用壓力變送器的采樣電壓信號變化比較緩慢，信號躍變較小，采用１６位ＲＡＭ寄存器，采樣１００次的Ａ／Ｄ值有足夠的存儲空間，且采樣非常終計算值能達到變送器的計算精度。經(jīng)過(guò)以上３種算法的比較，非常終篩選采用中位值平均濾波算法作為壓力變送器的非常佳算法。

３　數據通信傳輸

    壓力變送器在進(jìn)行濾波采樣后，因為沒(méi)有直接的數據顯示，所以它還需要把采樣數據進(jìn)行處理，轉換為ＲＳ４８５傳輸的字符串或者頻率信號進(jìn)行外部輸出。且ＲＳ４８５具有較好的噪聲抑制能力、較快的數據傳輸速率及較高的可靠性等優(yōu)點(diǎn)，制定ＲＳ４８５字符串通信規約后，三暢變送器才能與其他設備進(jìn)行正常的數字通信傳輸。ＲＳ４８５通信規約見(jiàn)表１和表２，就協(xié)議的規定做了詳細解釋。

    ＲＳ４８５與其他通設備通信的流程如圖５所示。壓力變送器經(jīng)過(guò)以上通信協(xié)議的規約，就可以把濾波算法處理后的采樣值進(jìn)行編碼處理，然后通過(guò)ＲＳ４８５總線(xiàn)方式和其他外接設備進(jìn)行通信傳輸。

４　應用效果

    壓力變送器經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)和算法的抗干擾的優(yōu)化，以及數字化的通信方式，所采取的一系列施，使三暢壓力變送器在實(shí)際的使用當中取得了不錯的效果，得到了廣大客戶(hù)認可，其中實(shí)際使用連接模擬圖和變送器數據采集中心站軟件界。

５　結語(yǔ)

    壓力變送器Ａ／Ｄ值采樣１００次以及進(jìn)行中位值平均濾波算法完成一個(gè)周期，所需要的時(shí)間在２ｍｓ左右，Ａ／Ｄ采樣精度能達到１．５‰，能完全滿(mǎn)足整機計算出的壓力值精度為３．０‰的要求。

   通過(guò)對壓力變送器濾波算法的詳細分析，和ＲＳ４８５通信協(xié)議規約及與其他通信設備的正常通信，這種礦用壓力變送器的軟件設計，很好地解決了變送器出現異常值以及通信不穩定抗干擾能力差的問(wèn)題，在淮北礦業(yè)集團、桃園礦、張集礦等的廣泛應用可知，礦用壓力變送器取得了良好的效果。