压力变送器数字测量模块的设计与实现*

吴根平 王 浩 刘志宏 黄 柳 华锴玮 高政新

（1.武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064）（2.中国人民解放军92351部队02分队 三亚 572016）

1 引言

压力变送器作为可用作气压、液压、压力差等物理量的测量，具有优良的性能和出色的稳定性，广泛应用于船舶工业、航空航天等领域［1］。传统压力变送器采用工业过程控制领域标准的4mA～20mA 模拟电流输出及HART 协议半数字输出方式，只能单向传输，信道为一对一，已逐渐不能满足现场设备与控制系统间信息交换的需求［2］。

在全数字化、智能化的工业4.0时代，工业生产领域的数字化具有重要意义。将工业领域应用广泛的模拟传输的压力变送器数字化改造为数字式压力变送器，是时间短、见效快实现数字化的重要举措。针对模拟传输型压力变送器数字化改造需求，本文设计并实现了一种小体积的、高精度的、数字式的压力测量模块，可嵌入安装于压力变送器内，实现压力变送器的数字化。

2 系统总体方案

压力测量模块总体方案如图1所示，主要包括电源电路、微处理器电路、信号调理电路、CAN通信电路等部分。电源电路将外部电源转换为其他电路所需电源并供电。信号调理电路将输入的4mA～20mA标准电流信号变换为微处理器电路可采集的电压信号，经微处理器内部模数转换器模数转换并由软件滤波处理，通过CAN 通信电路将信息输出到外部CAN通信总线。

图1 系统总体结构图

2.1 电源电路设计

电源电路主要功能为通过将24V 直流电源变换为5V、±15V 等电源，为模块内部的其他电路提供电源。通过WRB2405S 芯片将直流24V 电源转换为直流5V 电源供微处理器电路的直流5V 电源通过WRB2405S芯片实现；CAN通信电路使用的直流5V 电源通过MAU122 芯片实现；信号调理电路使用的±15V电源通过MAU129芯片实现。

2.2 微处理器电路设计

微处理器电路主要功能为通过附带电路实现微处理器自身基础运行。微处理器选用MC9XS128 系列单片机的芯片，该芯片供电电源为直流5V，电源抗干扰能力强，且内部包含12位模数转换器及CAN 通信控制器，可极大简化外围电路。微处理器复位选用TPS3808G50复位芯片。采用16MHz 无源晶振方式，启振通过外接两个18pF对称电容实现。

2.3 信号调理电路设计

信号调理电路主要功能为将标准电流信号通过电流电源变换后转为合理范围内的电压信号。4mA～20mA标准电流信号为压力传感器输出，电流转换电压通过精密的10Ω采样电阻实现。信号源端与采样终端的完全电气隔离，采用高可靠隔离性好的AMC1100 电流传感芯片实现。后级通过运算放大器OPA2227 电路，进一步将压力信号放大为0V～4.5V电压信号送入微处理器的模数转换器。

2.4 CAN通信电路设计

因CAN 通信控制器由微处理器内部自带，CAN 通信电路仅需实现CAN 通信驱动器部分电路。CAN通信驱动器选用带隔离的、抗干扰性强的CTM1051芯片，将逻辑电平转换为差分电平并通过CANH引脚和CANL引脚输出。

3 软件设计

压力变送器压力测量模块运行的软件为直接嵌入式软件，主要包括两个模块：一是初始化与定期中断程序模块，二是模/数转换与处理程序模块组成。整个软件按照GJB5000A标准完成软件开发和工程管理，在CodeWarrior 开发环境中完成程序的所有编写、编译、调试及下载。

3.1 初始化与定期中断程序模块设计

初始化与定期中断程序模块功能主要包括系统各模块的初始化，以及设置并启动定时器中断服务程序。系统上电后，首先进行系统初始化并开启定时器。其次，定时周期性地采集模拟信号并将信号量化处理，后根据通过CAN 总线接收的外部控制系统指令将信息发送给外部控制系统。初始化过程中，将模/数采集工作模式配置为独立模式、开启单通道转换、软件触发转换、数据右对齐，设置ADC 的采样周期为50ms。整体软件流程如图2所示。

图2 初始化与定期中断程序模块流程图

3.2 模/数转换与处理程序模块设计

模/数转换与处理程序模块功能主要是完成模拟量到数字量的转换，并完成相应的信号处理。在微处理器自带的16路模/数转换通道中选择其中的三路转换通道进行模/数采集。前两路采集通道为有效信号采集通道，第三路采集通道采集5V 基准电压，以实现模/数转换精度的软件数值校正。模/数采集完成后，需对转换值进行滤波的数据处理，选用滑动窗口滤波算法，即将最新的10 组转换后的转换值，去掉一个最大值、一个最小值后，将其余8 个转换值进行算术平均。滑动窗口滤波完成后，为进一步提高采集转换精度，对采集转换值再进一步进行分段线性校准。模/数转换与处理模块流程图如图3所示。

图3 模/数转换与处理程序模块流程图

4 系统测试试验结果

为验证压力测量模块与压力变送器物理接口尺寸的匹配性，图4给出了压力测量模块嵌入安装于压力变送器的实际效果，由图可知压力测量模块与压力变送器物理接口尺寸匹配。

图4 压力测量模块实际安装图

为验证压力测量模块的模拟信号采集精度，设计制作了三块压力测量模块，完成了三块压力测量模块的4mA～20mA 电流范围内典型电流点的模拟信号采集试验，试验结果如图5所示。由图可知，4mA～20mA 电流范围内的典型采样点的采集精度高于0.25%，采集转换精度高。

图5 模拟信号采集误差图

5 结语

针对只能单向传输、信道一对一的传统模拟传输压力变送器已逐渐不能满足现场设备与控制系统间信息交换的现象，本文基于数字化手段，采用CAN总线方式，设计并实现了一种可嵌入式安装于压力变送器内部的、小体积的、高精度的、数字式的压力测量模块。该压力测量模块与压力变送器的电气、机械安装接口均能良好匹配，在4mA～20mA整个电流范围内均具备较高的采集精度，可用于传统压力变送器数字化改造，可有效提升现场设备与控制系统信息交换的效率与可靠度。