基于 MSP430的智能多參量變送器的設計與開(kāi)發(fā)

上海上自?xún)x公司介紹了一種以 MSP430 單片機為核心的智能多參量變送器。 上海上自?xún)x公司具體闡述了該變送器的工作原理、總體設計、硬件電路設計和軟件設計框圖。該變送器可適用于測量天然氣、過(guò)熱和飽和蒸汽、各種液體和各種標準氣體的流量，并且可以和其它設備進(jìn)行結合，實(shí)現工業(yè)現場(chǎng)流體測量與控制的智能化和多樣化。

本文介紹用 MSP430F5418A 單片機開(kāi)發(fā)的新型智能多參量變送器。 其工作原理是：以高精度且帶自身溫度補償的電容式差壓傳感器、擴散硅壓力傳感器與高精度熱電偶為測量元件，通過(guò)自動(dòng)測量流體的差壓、壓力、溫度，并通過(guò)計算和多種補償，得到并輸出流體的體積流量、質(zhì)量流量、體積積流、質(zhì)量積流等。 本變送器采用了數據校、數字濾波、多輸出形式等技術(shù)，使其能更適應各種復雜的工況環(huán)境。

1 總體設計

1．1 智能多參量變送器總體功能設計

智能多參量變送器組成框圖如圖 1 所示，此變送器共有四種輸入量，分別為 DS18B20 溫度單總線(xiàn)信號輸入（用于補償電容式差壓傳器）、 電容式差壓傳感器的信號輸入、PT1000 熱電阻模擬量輸入以及擴散硅壓力傳感器的模擬量輸入。 變送器輸出量為4～20mA 模擬量，通信采用兩線(xiàn) HART 通信協(xié)議，即在 4～20mA的模擬信號上疊加FSK（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）數字信號，在 2 線(xiàn)供電回路上可以兼容模擬和數字 2 種信號。

該變送器采用 LCD 方式進(jìn)行數據顯示，LCD 為字段顯示， 采用 8com 動(dòng)態(tài)顯示，以合泰 HT1622 作為驅動(dòng)芯片。主顯示區為 8 位 8 段，字高約 10mm。輔助顯示區為 6 位 8 段，字高約為 6～8mm。多參量變送器的各項流量測量的參數設定主要是通過(guò)手持式 HART 通信儀或上位機來(lái)設定；同時(shí)也可以通過(guò)干簧管或紅外遙控來(lái)修改設定。

1．2 總體特點(diǎn)

1）超低功耗。 傳感器調理電路及主板處理電路均選用超低功耗元器件，使得整機達到低功耗狀態(tài)。 完全能滿(mǎn)足儀表的各項參數測量與儀表的認證。

2）測量誤差自動(dòng)修正。 在此多參量變送器中，對三個(gè)傳感器都有進(jìn)行補償與校準，使得測量更加的準確。 在流量測量當中，通過(guò)熱電阻 PT1000 進(jìn)行溫度測量，再進(jìn)行軟件的補償修正，可以大大提高變送器的數據準確及自適應能力。

3）多參量測量。 可以同時(shí)對多個(gè)參量進(jìn)行測量，通過(guò)在軟件當中增加多種數字濾波方法， 以將工況現場(chǎng)中對流量測量的干擾降到非常低。

4）模擬量輸出及總線(xiàn)通信。 可以輸出工業(yè)現場(chǎng)通用的 4～20mA模擬量信號， 同時(shí)也可以通過(guò)使用 HART 通信協(xié)議與其他智能設備與儀器組成大規模的流量測量與控制系統。

2 硬件設計

2．1 MCU 選型

通過(guò)對變送器所開(kāi)發(fā)的功能及所需芯片片內資源進(jìn)行深入研究后，非常終選用TI公司的MSP430F5418A為此變送器 的MCU。MSP430F5418A 芯片是 TI 公司推出的一個(gè)強大的16 位RISC CPU，具有超低功耗微、存儲空間大、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。MSP430F5418A 微控制器的片內資源十分豐富，具有 16KB字節的SRAM，128K 字節的FLASH，67 個(gè) I ／ O 引腳，三個(gè) 16 位定時(shí)器，一個(gè)高性能的 12 位模擬／數字轉換器（ADC），多達四個(gè)通用串行通信接口（USCI），一個(gè)硬件乘法器等。MSP430F5418A 除正常工作模式外，還有多達 5 種的低功耗模式設置，通過(guò)不同設定來(lái)讓其工作時(shí)的功耗達到非常低。

2．2 信號調理電路設計

差壓傳感器使用的為上海自動(dòng)化儀器公司生產(chǎn)的一款性能穩定，精度高的金屬電容差壓式傳感器，差壓傳感器調理電路使用的電源來(lái)自于 4～20mA 環(huán)路當中，因此該調理電路的功耗可以滿(mǎn)足在回路當中 4mA 以下可正常工作的要求，同時(shí)電路須要采用隔離措施，將傳感器調理電路與主板電路進(jìn)行隔離，以提高穩定及抗干擾性能。 差壓調理電路如圖 3 所示，主要原理：通過(guò)CPU 輸出一個(gè)標準的周期信號來(lái)對差壓傳感器 H 端與 L 端的測量選擇，根據電容的充放電轉換，將電容信號轉變?yōu)轭l率信號 f，頻率信號 f 經(jīng)過(guò)隔離芯片傳送到主芯片當中，MCU 通過(guò)高精度計數器精確統計出脈沖個(gè)數，后可得出精準頻率。 再通過(guò)頻率與差壓之間的關(guān)系準確地測量出差壓值。

溫度與壓力測量調理電路，PT1000 熱電阻與擴散硅壓力傳感器的信號采集方式是一致的， 是通過(guò)ADI 公司的AD7794 芯片來(lái)處理完成。AD7794 是一款具有 6 通道、低噪聲、低功耗、24 位 Σ－Δ 型的 ADC 芯片。 PT1000 熱電阻與壓力傳感器均是由芯片內部輸出 1mA 精密恒流源來(lái)作為激勵，測量的基準電壓是從一個(gè)與之串聯(lián)的高精密低溫漂的 1kΩ 電阻上獲得，通過(guò)比率式測量，使得恒流源的波動(dòng)對測量沒(méi)有影響。

2．3 4～20mA 模擬量輸出及 HART 通信電路設計

4～20mA 作為測量結果的模擬量輸出是通過(guò) AD421 接收MSP430 傳送的數字信號來(lái)轉換得到。 HART 通信電路主要由現 MSP430、A5191HRT和 AD421組成。 A5191HRT 接收疊加在 4mA～20mA 環(huán)路上的 FSK 信號，解調后傳輸給 MCU 或將MCU 產(chǎn)生的應答幀信息調制成 FSK 信號經(jīng)波形整形器后由AD421 疊加在 4～20mA 環(huán)路上發(fā)送出去。圖 5 中，A5191HRT與 MCU 的接口信號包括載波檢測 OCD、 解調輸出 ORXD、調制輸入 ITXD、請求發(fā)送 INRTS。 HART 調制解調器的時(shí)鐘信號來(lái)源于 MSP430 內部分頻出來(lái)的 460．8kHz 頻率信號。

2．4 LCD 數據顯示電路設計

因MSP430F5418A 芯片不存在 LCD 驅動(dòng)模塊，非常終選用臺灣合泰HT1622作為L(cháng)CD的驅動(dòng)芯片。HT1622 為256 段（32x8）內置存儲器的多功能 LCD 驅動(dòng)器，支持串行通信，蜂鳴器，看門(mén)定時(shí)器或時(shí)基定時(shí)器功能。與MCU 的通信線(xiàn)其只需要3 根，非常的簡(jiǎn)單。同時(shí)它內部包含省電指令，通過(guò)設定可以有效降低芯片功耗。

3 軟件設計

多參量變送器的主程序流程圖如 圖 6 所 示。 首先初始化各個(gè)參數，進(jìn)入測量計算周期后，先讀取差壓，壓力及PT1000 傳感器測量數據，后判定測量的數據正常與否，當數據正常后，進(jìn)行數據處理與補 償， 而后計算多種流量參數并進(jìn)行LCD 顯示和數據輸出與HART 通信。

本多參量多變器已經(jīng)在工業(yè)現場(chǎng)進(jìn)行運用， 通過(guò)與上位機的通訊，上海上自?xún)x公司實(shí)現了多種類(lèi)型流體的測量，并在 HART 總線(xiàn)協(xié)議下，與現場(chǎng) 20 臺各類(lèi)變送器與控制器實(shí)現了流量計量與控制系統的集成。