CN200969147Y - 一种压力数字化采集前端 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及压力测量技术，具体公开一种压力数字化采集前端，包括：结构相同的两组振荡分频电路，经过接线端子连接电容式压力传感器，产生两路符合精确度等级要求的脉冲信号；主控电路，接收两路振荡分频电路的输出信号，测量两路脉冲宽度及采集前端温度，通过3.3V RS232链路经过接线端子将数字化电信号送出；直流电源，经过接线端子接外部电源，为振荡分频电路、主控电路提供直流电源。采用本实用新型能将电容式压力传感器压力信号转变为数字化电信号，可为压力/差压变送器提供数字化的压力/差压电信号，使压力/差压变送器可采用数字信号处理技术以提高测量的精确度等级。

Description

一种压力数字化采集前端

技术领域

本实用新型涉及压力测量技术，具体公开一种将电容式压力传感器压力信号转变为数字化电信号的压力数字化采集前端。

背景技术

因压力传感器的种类繁多，使压力/差压变送器种类型号众多。目前电容式压力传感器已实现国产化，且电容式压力传感器成本较低，但国产基于电容式压力传感器的压力/差压变送器仍使用模拟信号转换技术实现压力/差压的测量，致使精确度难以进一步提高。其它精确度等级较高的压力/差压变送器均为进口的、基于成本较高的其它种类压力传感器的国外产品。为采用电容式压力传感器的压力/差压变送器提供数字化的压力/差压电信号，从而实现高精确度压力测量的技术目前还尚未见报道。

实用新型内容

为了解决国产压力/差压变送器精确度等级较进口同类产品低的问题，本实用新型的目的是提供一种压力数字化采集前端，为压力/差压变送器提供数字化的压力/差压电信号，使压力/差压变送器可采用数字信号处理技术以提高测量的精确度等级。

为了实现上述目的，本实用新型的具体技术方案包括：

-结构相同的两组振荡分频电路，经过接线端子连接电容式压力传感器，产生两路符合精确度等级要求的脉冲信号；

-主控电路，接收两路振荡分频电路的输出信号，测量两路脉冲宽度及采集前端温度，通过3.3V RS232链路经过接线端子将数字化电信号送出；

-直流电源，经过接线端子接外部电源，为振荡分频电路、主控电路提供直流电源。

其中：所述直流电源电路结构包括：第六限流电阻，第一～三滤波电容，稳压器组成，来自外部的直流电源经接线端子引入，电源负极经接线端子与电源负极相连，电源正极经接线端子连接第六限流电阻，第六限流电阻连接第一滤波电容及稳压器输入端，稳压器的输出端接第二～三滤波电容后，连接振荡分频电路、主控电路的工作电源；

所述两组振荡分频电路中的一组经接线端子连接压力传感器的一侧电容，压力传感器另一侧电容经接线端子连接另一组振荡分频电路，压力传感器两侧电容的公共电极通过接线端子连接电源负极；每组振荡分频电路具体结构为：

压力传感器的电容电极接第一电压比较器的反相输入端、及第二电压比较器的同相输入端；第一电压比较器的输出端连接经第四非门接至第三与非门的输入端，电压比较器的输出端连接第三与非门接至二进制计数器的时钟输入端，限流电阻跨接在第一电压比较器反相端及第二电压比较器的同相端节点与第三与非门输出端之间；二进制计数器的计数输出端分别接至主控电路的微处理器的捕获端；

所述主控电路包括微处理器、测温电路，其中微处理器存储控制程序，微处理器的捕获端接收两组振荡分频电路的脉冲信号；微处理器通过SPI口接入温度传感器；微处理器的RS232数据端经接线端子接外板卡。

本实用新型的优点：

1.具有压力/差压信号数字化输出的特点。本实用新型压力数字化采集前端将压力/差压信号按约定协议使用3.3v RS232链路送出，为压力/差压值的数字化运算提供数据。使国产电容式压力/差压变送器提高了测量的精确度等级。

2.集成度高、功耗低。本实用新型的测频功能使用微处理器的输入捕获功能，测温功能使用单片集成电路，串口通讯使用的3.3v RS232链路同样集成在微处理器内部；整体工作电源为DC 3.3v，最大工作电流2.5mA。

3.应用广泛、社会效益显著。在工业现场，压力变送器不仅使用在压力测量中，在流量、液位等其它量值的测量中大部分使用差压测量来间接实现。使用本实用新型不但可延长电容式压力传感器的产品寿命，而且应用层面也很广泛。

附图说明

图1为本实用新型总体的电路结构图。

图2为图1中直流电源电路原理图。

图3为图1中振荡分频电路原理图。

图4为图1中主控电路原理图。

图5为本实用新型主控制程序流程图。

图6为本实用新型输入捕获中断服务程序流程图。

图7为本实用新型串口接收中断服务程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

压力数字化采集前端的结构(参见图1)包括结构相同的两组振荡分频电路、主控电路、直流电源三部分电路及接线端子；其中：直流电源经过接线端子接外部电源为数字化采集前端提供符合要求的直流电源；主控电路使用3.3V RS232链路经过接线端子可连接其它板卡(如Harrt协议仪表等)，将数字化电信号送出；两组振荡分频电路经过接线端子连接电容式压力传感器，产生两路符合精确度等级要求的脉冲信号；主控电路测量两路脉冲宽度及采集前端的温度通过3.3V RS232链路送给与采集前端具有相同接口协议的板卡。

如图2所示，所述直流电源电路结构包括：第六限流电阻R6，第一、二、三滤波电容C1、C2、C3、，稳压器U6(采用线性低压差类型)组成，来自外部的直流电源经接线端子B3、B4引入，电源负极经接线端子B4与采集前端电源负极相连，电源正极经接线端子B3连接第六限流电阻R6，第六限流电阻R6连接第一滤波电容C1及稳压器U6输入端，稳压器U6的输出端接第二～三滤波电容C2、C3后，连接其它电路的工作电源。

如图1所示，两组振荡分频电路中的第二组振荡分频电路使用第三接线端子A3连接压力传感器的一侧电容。如图3所示，压力传感器另一侧电容经第一接线端子A1连接第一组振荡分频电路的S1点，压力传感器两侧电容的公共电极通过第二接线端子A2连接压力数字化采集前端的电源负极；每组振荡分频电路具体结构为(以第一组为例说明)：

第一接线端子A1接入的电容电极接第一电压比较器U1的反相输入端、及第二电压比较器U2的同相输入端；第一电压比较器U1的同相输入端接电压基准源VH(为精密电压基准源LM285-2.5产生的高电压基准)，第二电压比较器U2的反相输入端接电压基准源VL(为两个大阻值电阻：100K与200K，将VH分压后产生的低电压基准源)，第一电压比较器U1的输出端连接第四与非门U4的输入端a，第二电压比较器U2的输出端连接第三与非门U3的输入端b，第三与非门U3的输入端a连接第四与非门U4的输出端，第三与非门U3的输出端连接第一限流电阻R1的一端、第四与非门U4的输入端b、作为二进制计数器的分频器U5的时钟输入端，第一限流电阻R1的另一端与第一电压比较器U1反相端及第二电压比较器U2的同相端的节点相连；二进制计数器U5的四个计数输出端分别接第二～五电阻R2、R3、R4、R5的一端；第二～五电阻R2、R3、R4、R5的另一端相连接主控电路微处理器U7的捕获端。

图3中所示第一电压比较器U1、第二电压比较器U2、第三与非门U3、第四与非门U4、第一限流电阻R1及接在S1点的传感器电容组成双稳态振荡电路，随着压力传感器电容的循环充放电，根据真值表表1将在S5点即第三与非门U3的输出端产生与电容充放电周期相同的方波。该方波做为分频器U5的时钟源进入其CLK输入端。分频器U5采用二进制计数器74HC393，在其Q0、Q1、Q2、Q3端将分别产生二、四、八、十六倍于电容充放周期的脉冲P1，图中第二～五电阻R2～R5四只电阻焊接时可根据需要任选一个以选择不同的分频系数，本实用新型中选择第五电阻R5，为十六分频。第二组振荡分频电路工作原理同于第一组，只输入端接另一压力传感电容，分频系数相同，产生的脉冲P2接数字主控电路的微处理器U7的另一输入捕获端。

真值表1  振荡分频电路中双稳态振荡电路真值表

注：VS1表示图3中S1点的电位。

参见图4，主控电路包括微处理器电路U7、测温电路U8，微处理器U7中集成有3.3V RS232链路。其中微处理器U7存储控制程序，通过SPI口连接板载温度传感器U8。来自两组振荡分频电路的脉冲信号直接接到微处理器U7的输入捕获端；测温电路为带标准SPI接口的全集成数字化芯片，通过三根总线直接与微处理器U7相连；微处理器U7中RS232链路层的数据输入端与输出端经接线端子B1、B2接外板卡。

微处理器U7采用MSP430F123，将两组振荡分频输出P1、P2分别接入其输入捕获端1、输入捕获端2，并设置两捕获方式为下降沿捕获，两次输入捕获中断所获得的计数值之差即为十六个电容充放电周期内微处理器的计数值，该计数值乘以微处理器的振荡周期即为十六个电容充放电的周期值。当压力/差压变化时两电容容量出现趋势相反的变化，微处理器U7测得的两计数值同样会出现趋势相反的变化。

测温电路U8为带标准SPI接口的全集成数字化芯片DS1722，微处理器U7每隔2秒钟从U8读取一次实时温度值。并通过RS232链路将计数值与温度值送出。

主控制程序中的主程序流程(参见图5)为：首先开始复位运行，对微处理器U7内各模块的I/O端口、寄存器、定时器、3.3V RS232链路、看门狗进行初始化，输入捕获端口置成边沿触发方式，定时器置成增计数方式；再初始化测温电路U8；装载全温度段全量程标定参数，且初始化温度传感器，设定工作初始条件，判断读温度时限到否，时限到时读温度传感器并更新温度值，然后判断命令桢回答结束否，时限未到直接进入判断命令桢回答结束否；桢回答没结束更新看门狗计数值，若桢回答结束进入是否取数据命令判断，是取数据命令时组织并发送数据，更新看门狗计数值，若不是取数据命令则判断是否写标定参数命令，不是写标定参数命令时更新看门狗计数值，是写标定参数命令时存储标定参数，更新看门狗计数值；所述更新看门狗计数值后均返回判断更新温度时限未到否。

输入捕获中断服务程序流程(参见图6)为，记数栈为先进先出(FIFO)结构当两侧计数各完成一次后压入记数栈最新值；具体流程：先判断本次捕获计数是否完整，不完整则进入初始化计数变量步骤，执行中断返回；完整时将计数值压入相应记数栈，判断是否两捕获端各完成一次计数，为否中断返回。为是时则移动记数栈舍陈存新，再执行中断返回。

串口接收中断服务程序流程为：先判断是否已接收到桢起始字，未接收到桢起始字时，判断接收的字是否为桢起始字，不是桢起始字执行中断返回，是桢起始字则置桢起始字已接收位，执行中断返回；已接收到桢起始字时将接收到的字送入串口缓冲区；再判断按长度要求是否接收满，为否中断返回；为是时判断接收桢通过校验否，没通过校验置通信桢错误位，发命令回答桢，通过校验时置运行状态位，再发命令回答桢，最后执行中断返回。

3.3v RS232链路工作在主从式半双工通信方式，当外接板卡有取数据命令桢时，压力数字化采集前端在确认接收到的桢正确后组织实时数据发给外接板卡。

Claims (5)

1.一种压力数字化采集前端，其特征在于包括：

-结构相同的两组振荡分频电路，经过接线端子连接电容式压力传感器，产生两路符合精确度等级要求的脉冲信号；

-主控电路，接收两路振荡分频电路的输出信号，测量两路脉冲宽度及采集前端温度，通过3.3V RS232链路经过接线端子将数字化电信号送出；

-直流电源，经过接线端子接外部电源，为振荡分频电路、主控电路提供直流电源。

2.按照权利要求1所述压力数字化采集前端，其特征在于：所述直流电源电路结构包括：第六限流电阻(R6)，第一～三滤波电容(C1～C3)，稳压器(U6)组成，来自外部的直流电源经接线端子引入，电源负极经接线端子与电源负极相连，电源正极经接线端子连接第六限流电阻(R6)，第六限流电阻(R6)连接第一滤波电容(C1)及稳压器(U6)输入端，稳压器(U6)的输出端接第二～三滤波电容(C2～C3)后，连接振荡分频电路、主控电路的工作电源。

3.按照权利要求2所述压力数字化采集前端，其特征在于：所述稳压器(U6)采用线性低压差类型。

4.按照权利要求1所述压力数字化采集前端，其特征在于：所述两组振荡分频电路中的一组经接线端子连接压力传感器的一侧电容，压力传感器另一侧电容经接线端子连接另一组振荡分频电路，压力传感器两侧电容的公共电极通过接线端子连接电源负极；每组振荡分频电路具体结构为：

压力传感器的电容电极接第一电压比较器(U1)的反相输入端、及第二电压比较器(U2)的同相输入端；第一电压比较器(U1)的输出端连接经第四非门(U4)接至第三与非门(U3)的输入端，电压比较器(U2)的输出端连接第三与非门(U3)接至二进制计数器(U5)的时钟输入端，限流电阻(R1)跨接在第一电压比较器(U1)反相端及第二电压比较器(U2)的同相端节点与第三与非门(U3)输出端之间；二进制计数器(U5)的计数输出端分别接至主控电路的微处理器(U7)的捕获端。

5.按照权利要求1所述压力数字化采集前端，其特征在于：所述主控电路包括微处理器(U7)、测温电路(U8)，其中微处理器(U7)存储控制程序，微处理器(U7)的捕获端接收两组振荡分频电路的脉冲信号；微处理器(U7)通过SPI口接入温度传感器；微处理器(U7)的RS232数据端经接线端子接外板卡。

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