壓力數位化採集前端的製作方法

2023-09-21 06:52:45

專利名稱：：壓力數位化採集前端的製作方法
技術領域：
：本發明涉及壓力測量技術，具體公開一種將電容式壓力傳感器壓力信號轉變為數位化電信號的壓力數位化採集前端。技術背景因壓力傳感器的種類繁多，使壓力/差壓變送器種類型號眾多。目前電容式壓力傳感器已實現國產化，且電容式壓力傳感器成本較低，但國產基於電容式壓力傳感器的壓力/差壓變送器仍使用模擬信號轉換技術實現壓力/差壓的測量，致使精確度難以進一步提高。其它精確度等級較高的壓力/差壓變送器均為進口的、基於成本較高的其它種類壓力傳感器的國外產品。為採用電容式壓力傳感器的壓力/差壓變送器提供數位化的壓力/差壓電信號，從而實現高精確度壓力測量的技術目前還尚未見報導。
發明內容為了解決國產壓力/差壓變送器精確度等級較進口同類產品低的問題，本發明的目的是提供一種壓力數位化採集前端，為壓力/差壓變送器提供數位化的壓力/差壓電信號，使壓力/差壓變送器可採用數位訊號處理技術以提高測量的精確度等級。為了實現上述目的，本發明的具體技術方案包括-結構相同的兩組振蕩分頻電路，經過接線端子連接電容式壓力傳感器，產生兩路符合精確度等級要求的脈衝信號；-主控電路，接收兩路振蕩分頻電路的輸出信號，測量兩路脈衝寬度及採集前端溫度，通過3.3￥仗8232鏈路經過接線端子將數位化電信號送出；-直流電源，經過接線端子接外部電源，為振蕩分頻電路、主控電路提供直流電源。其中所述直流電源電路結構包括第六限流電阻，第一三濾波電容，穩壓器組成，來自外部的直流電源經接線端子引入，電源負極經接線端子與電源負極相連，電源正極經接線端子連接第六限流電阻，第六限流電阻連接第一濾波電容及穩壓器輸入端，穩壓器的輸出端接第二三濾波電容後，連接振蕩分頻電路、主控電路的工作電源；所述兩組振蕩分頻電路中的一組經接線端子連接壓力傳感器的一側電容，壓力傳感器另一側電容經接線端子連接另一組振蕩分頻電路，壓力傳感器兩側電容的公共電極通過接線端子連接電源負極；每組振蕩分頻電路具體結構為壓力傳感器的電容電極接第一電壓比較器的反相輸入端、及第二電壓比較器的同相輸入端；第一電壓比較器的輸出端連接經第四非門接至第三與非門的輸入端，電壓比較器的輸出端連接第三與非門接至二進位計數器的時鐘輸入端，限流電阻跨接在第一電壓比較器反相端及第二電壓比較器的同相端節點與第三與非門輸出端之間；二進位計數器的計數輸出端分別接至主控電路的微處理器的捕獲端；所述主控電路包括微處理器、測溫電路，其中微處理器存儲控制程序，微處理器的捕獲端接收兩組振蕩分頻電路的脈衝信號；微處理器通過spi口接入溫度傳感器；微處理器的RS232數據端經接線端子接外板卡；控制程序中的主程序流程為首先開始復位運行，對微處理器內各模塊的I/0埠、寄存器、定時器、看門狗、3.3VRS232鏈路進行初始化，輸入捕獲埠置成邊沿觸發方式，定時器置成增計數方式；再裝載標定參數，即裝載全溫度段全量程標定參數，且初始化溫度傳感器，設定工作初始條件，判斷更新溫度時限到否，時限到時讀溫度傳感器並更新溫度值，然後判斷命令楨回答結東否，時限未到直接進入判斷命令楨回答結東否；命令楨回答沒結束更新看門狗計數值，若命令楨回答結束進入是否為取數據命令判斷，是取數據命令時組織並發送數據，更新看門狗計數值，若不是取數據命令則判斷是否寫標定參數命令，不是寫標定參數命令時更新看門狗計數值，是寫標定參數命令時存儲標定參數，更新看門狗計數值；所述更新看門狗計數值後均返回判斷更新溫度時限未到否；控制程序中的輸入捕獲中斷服務程序流程為採用先進先出結構記數棧，當兩側計數各完成一次後壓入記數棧最新值；具體流程先判斷本次捕獲計數是否完整，不完整則進入初始化計數變量步驟，執行中斷返回；完整時將計數值壓入相應記數棧，判斷是否兩捕獲埠各完成一次計數，為否中斷返回。為是時則移動記數棧舍陳存新，再執行中斷返回；控制程序中的串口接收中斷服務程序流程為先判斷是否已接收到楨起始字，未接收到楨起始字時，判斷接收的字是否為楨起始字，不是楨起始字執行中斷返回，是楨起始字則置楨起始字已接收位，執行中斷返回；已接收到楨起始字時將接收到的字送入串口緩衝區；再判斷按長度要求是否接收滿，為否中斷返回；為是時判斷接收楨通過校驗否，沒通過校驗置通信楨錯誤位，發命令回答楨，通過校驗時置運行狀態位，再發命令回答楨，最後執行中斷返回。本發明的優點1.具有壓力/差壓信號數位化輸出的特點。本發明壓力數位化採集前端將壓力/差壓信號按約定協議使用3.3vRS232鏈路送出，為壓力/差壓值的數位化運算提供數據。使國產電容式壓力/差壓變送器提高了測量的精確度等級。°2.集成度高、功耗低。本發明的測頻功能使用微處理器的輸入捕獲功能，測溫功能使用單片集成電路，串口通訊使用的3.3vRS232鏈路同樣集成在微處理器內部；整體工作電源為DC3.3v，最大工作電流2.5mA。3.應用廣泛、社會效益顯著。在工業現場，壓力變送器不僅使用在壓力測量中，在流量、液位等其它量值的測量中大部分使用差壓測量來間接實現。使用本發明不但可延長電容式壓力傳感器的產品壽命，而且應用層面也很廣泛。圖1為本發明總體的電路結構圖。圖2為圖1中直流電源電路原理圖。圖3為圖1中振蕩分頻電路原理圖。圖4為圖1中主控電路原理圖。圖5為本發明主控制程序流程圖。圖6為本發明輸入捕獲中斷服務程序流程圖。圖7為本發明串口接收中斷服務程序流程圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。壓力數位化採集前端的結構(參見圖l)包括結構相同的兩組振蕩分頻電路、主控電路、直流電源三部分電路及接線端子；其中直流電源經過接線端子接外部電源為數位化採集前端提供符合要求的直流電源；主控電路使用3.3VRS232鏈路經過接線端子可連接其它板卡(如Harrt協議儀表等)，將數位化電信號送出；兩組振蕩分頻電路經過接線端子連接電容式壓力傳感器，產生兩路符合精確度等級要求的脈衝信號；主控電路測量兩路脈衝寬度及採集前端的溫度通過3.3VRS232鏈路送給與釆集前端具有相同接口協議的板卡。如圖2所示，所述直流電源電路結構包括第六限流電阻R6，第一、二、三濾波電容C1、C2、C3、，穩壓器U6(釆用線性低壓差類型)組成，來自外部的直流電源經接線端子B3、B4引入，電源負極經接線端子B4與採集前端電源負極相連，電源正極經接線端子B3連接第六限流電阻R6，第六限流電阻R6連接第一濾波電容Cl及穩壓器U6輸入端，穩壓器U6的輸出端接第二三濾波電容C2、C3後，連接其它電路的工作電源。如圖1所示，兩組振蕩分頻電路中的第二組振蕩分頻電路使用第三接線端子A3連接壓力傳感器的一側電容。如圖3所示，壓力傳感器另一側電容經第一接線端子Al連接第一組振蕩分頻電路的Sl點，壓力傳感器兩側電容的公共電極通過第二接線端子A2連接壓力數位化釆集前端的電源負極；每組振蕩分頻電路具體結構為(以第一組為例說明)第一接線端子Al接入的電容電極接第一電壓比較器Ul的反相輸入端、及第二電壓比較器U2的同相輸入端；第一電壓比較器U1的同相輸入端接電壓基準源VH(為精密電壓基準源LM285-2.5產生的高電壓基準)，第二電壓比較器U2的反相輸入端接電壓基準源VL(為兩個大阻值電阻100K與200K，將VH分壓後產生的低電壓基準源)，第一電壓比較器U1的輸出端連接第四與非門U4的輸入端a,第二電壓比較器U2的輸出端連接第三與非門U3的輸入端b，第三與非門U3的輸入端a連接第四與非門U4的輸出端，第三與非門U3的輸出端連接第一限流電阻R1的一端、第四與非門U4的輸入端b、作為二進位計數器的分頻器U5的時鐘輸入端，第一限流電阻R1的另一端與第一電壓比較器U1反相端及第二電壓比較器U2的同相端的節點相連；二進位計數器U5的四個計數輸出端分別接第二五電阻R2、R3、R4、R5的一端；第二五電阻R2、R3、R4、R5的另一端相連接主控電路微處理器U7的捕獲端。圖3中所示第一電壓比較器U1、第二電壓比較器U2、第三與非門U3、第四與非門U4、第一限流電阻R1及接在S1點的傳感器電容組成雙穩態振蕩電路，隨著壓力傳感器電容的循環充放電，根據真值表表1將在S5點即第三與非門U3的輸出端產生與電容充放電周期相同的方波。該方波做為分頻器U5的時鐘源進入其CLK輸入端。分頻器U5採用二進位計數器74HC393,在其Q0、Ql、Q2、Q3端將分別產生二、四、八、十六倍於電容充放周期的脈衝P1，圖中第二五電阻R2R5四隻電阻焊接時可根據需要任選一個以選擇不同的分頻係數，本發明中選擇第五電阻R5，為十六分頻。第二組振蕩分頻電路工作原理同於第一組，只輸入端接另一壓力傳感電容，分頻係數相同，產生的脈衝P2接數字主控電路的微處理器U7的另一輸入捕獲端。真值表1振蕩分頻電路中雙穩態振蕩電路真值表tableseeoriginaldocumentpage7注VS1表示圖3中SI點的電位。參見圖4，主控電路包括微處理器電路U7、測溫電路U8，微處理器U7中集成有3.3￥RS232鏈路。其中微處理器U7存儲控制程序，通過SPI口連接板載溫度傳感器U8。來自兩組振蕩分頻電路的脈衝信號直接接到微處理器U7的輸入捕獲端;測溫電路為帶標準SPI接口的全集成數位化晶片，通過三根總線直接與微處理器U7相連；微處理器U7中RS232鏈路層的數據輸入端與輸出端經接線端子B1、B2接外板卡。微處理器U7釆用MSP430F123，將兩組振蕩分頻輸出Pl、P2分別接入其輸入捕獲端l、輸入捕獲端2，並設置兩捕獲方式為下降沿捕獲，兩次輸入捕獲中斷所獲得的計數值之差即為十六個電容充放電周期內微處理器的計數值，該計數值乘以微處理器的振蕩周期即為十六個電容充放電的周期值。當壓力/差壓變化時兩電容容量出現趨勢相反的變化，微處理器U7測得的兩計數值同樣會出現趨勢相反的變化。測溫電路U8為帶標準SPI接口的全集成數位化晶片DS1722,微處理器U7每隔2秒鐘從U8讀取一次實時溫度值。並通過RS232鏈路將計數值與溫度值送出。主控制程序中的主程序流程(參見圖5)為首先開始復位運行，對微處理器U7內各模塊的I/0埠、寄存器、定時器、3.3VRS232鏈路、看門狗進行初始化，輸入捕獲埠置成邊沿觸發方式，定時器置成增計數方式；再初始化測溫電路U8;裝載全溫度段全量程標定參數，且初始化溫度傳感器，設定工作初始條件，判斷讀溫度時限到否，時限到時讀溫度傳感器並更新溫度值，然後判斷命令楨回答結東否，時限未到直接進入判斷命令楨回答結束否；楨回答沒結東更新看門狗計數值，若楨回答結束進入是否取數據命令判斷，是取數據命令時組織並發送數據，更新看門狗計數值，若不是取數據命令則判斷是否寫標定參數命令，不是寫標定參數命令時更新看門狗計數值，是寫標定參數命令時存儲標定參數，更新看門狗計數值；所述更新看門狗計數值後均返回判斷更新溫度時限未到否。輸入捕獲中斷服務程序流程(參見圖6)為，記數棧為先進先出(FIFO)結構當兩側計數各完成一次後壓入記數棧最新值；具體流程先判斷本次捕獲計數是否完整，不完整則進入初始化計數變量步驟，執行中斷返回；完整時將計數值壓入相應記數棧，判斷是否兩捕獲端各完成一次計數，為否中斷返回。為是時則移動記數棧舍陳存新，再執行中斷返回。串口接收中斷服務程序流程為先判斷是否已接收到楨起始字，未接收到楨起始字時，判斷接收的字是否為楨起始字，不是楨起始字執行中斷返回，是楨起始字則置楨起始字已接收位，執行中斷返回；已接收到楨起始字時將接收到的字送入串口緩衝區；再判斷按長度要求是否接收滿，為否中斷返回；為是時判斷接收楨通過校驗否，沒通過校驗置通信楨錯誤位，發命令回答楨，通過校驗時置運行狀態位，再發命令回答楨，最後執行中斷返回。3.3vRS232鏈路工作在主從式半雙工通信方式，當外接板卡有取數據命令楨時，壓力數位化採集前端在確認接收到的楨正確後組織實時數據發給外接板卡。權利要求1.一種壓力數位化採集前端，其特徵在於包括-結構相同的兩組振蕩分頻電路，經過接線端子連接電容式壓力傳感器，產生兩路符合精確度等級要求的脈衝信號；-主控電路，接收兩路振蕩分頻電路的輸出信號，測量兩路脈衝寬度及採集前端溫度，通過3.3VRS232鏈路經過接線端子將數位化電信號送出；-直流電源，經過接線端子接外部電源，為振蕩分頻電路、主控電路提供直流電源。2.按照權利要求l所述壓力數位化釆集前端，其特徵在於所述直流電源電路結構包括第六限流電阻(R6)，第一三濾波電容(C1^C3)，穩壓器(U6)組成，來自外部的直流電源經接線端子引入，電源負極經接線端子與電源負極相連，電源正極經接線端子連接第六限流電阻(R6)，第六限流電阻(R6)連接第一濾波電容(Cl)及穩壓器(U6)輸入端，穩壓器(U6)的輸出端接第二三濾波電容(C2C3)後，連接振蕩分頻電路、主控電路的工作電源。3.按照權利要求2所述壓力數位化採集前端，其特徵在於所述穩壓器(U6)採用線性低壓差類型。4.按照權利要求l所述壓力數位化採集前端，其特徵在於所述兩組振蕩分頻電路中的一組經接線端子連接壓力傳感器的一側電容，壓力傳感器另一側電容經接線端子連接另一組振蕩分頻電路，壓力傳感器兩側電容的公共電極通過接線端子連接電源負極；每組振蕩分頻電路具體結構為壓力傳感器的電容電極接第一電壓比較器(Ul)的反相輸入端、及第二電壓比較器(U2)的同相輸入端；第一電壓比較器(Ul)的輸出端連接經第四非門(U4)接至第三與非門(U3)的輸入端，電壓比較器(U2)的輸出端連接第三與非門(U3)接至二進位計數器(U5)的時鐘輸入端，限流電阻(Rl)跨接在第一電壓比較器(Ul)反相端及第二電壓比較器(U2)的同相端節點與第三與非門(U3)輸出端之間；二進位計數器(U5)的計數輸出端分別接至主控電路的微處理器(U7)的捕獲端。5.按照權利要求l所述壓力數位化採集前端，其特徵在於所述主控電路包括微處理器(U7)、測溫電路(U8)，其中微處理器(U7)存儲控制程序，微處理器(U7)的捕獲端接收兩組振蕩分頻電路的脈衝信號；微處理器(U7)通過SPI口接入溫度傳感器；微處理器(U7)的RS232數據端經接線端子接外板卡。6.按照權利要求5所述壓力數位化釆集前端，其特徵在於控制程序中的主程序流程為首先開始復位運行，對微處理器內各模塊的I/0埠、寄存器、定時器、看門狗、3.3VRS232鏈路進行初始化，輸入捕獲埠置成邊沿觸發方式，定時器置成增計數方式；再裝載標定參數，即裝載全溫度段全量程標定參數，且初始化溫度傳感器，設定工作初始條件，判斷更新溫度時限到否，時限到時讀溫度傳感器並更新溫度值，然後判斷命令楨回答結東否，時限未到直接進入判斷命令楨回答結東否；命令楨回答沒結東更新看門狗計數值，若命令楨回答結束進入是否為取數據命令判斷，是取數據命令時組織並發送數據，更新看門狗計數值，若不是取數據命令則判斷是否寫標定參數命令，不是寫標定參數命令時更新看門狗計數值，是寫標定參數命令時存儲標定參數，更新看門狗計數值；所述更新看門狗計數值後均返回判斷更新溫度時限未到否。7.按照權利要求5所述壓力數位化釆集前端，其特徵在於控制程序中的輸入捕獲中斷服務程序流程為釆用先進先出結構記數棧，當兩側計數各完成一次後壓入記數棧最新值；具體流程先判斷本次捕獲計數是否完整，不完整則進入初始化計數變量步驟，執行中斷返回；完整時將計數值壓入相應記數棧，判斷是否兩捕獲埠各完成一次計數，為否中斷返回。為是時則移動記數棧舍陳存新，再執行中斷返回。8.按照權利要求5所述壓力數位化釆集前端，其特徵在於控制程序中的串口接收中斷服務程序流程為先判斷是否已接收到楨起始字，未接收到楨起始字時，判斷接收的字是否為楨起始字，不是楨起始字執行中斷返回，是楨起始字則置楨起始字已接收位，執行中斷返回；已接收到楨起始字時將接收到的字送入串口緩衝區；再判斷按長度要求是否接收滿，全文摘要本發明涉及壓力測量技術，具體公開一種壓力數位化採集前端，包括結構相同的兩組振蕩分頻電路，經過接線端子連接電容式壓力傳感器，產生兩路符合精確度等級要求的脈衝信號；主控電路，接收兩路振蕩分頻電路的輸出信號，測量兩路脈衝寬度及採集前端溫度，通過3.3VRS232鏈路經過接線端子將數位化電信號送出；直流電源，經過接線端子接外部電源，為振蕩分頻電路、主控電路提供直流電源。採用本發明能將電容式壓力傳感器壓力信號轉變為數位化電信號，可為壓力/差壓變送器提供數位化的壓力/差壓電信號，使壓力/差壓變送器可採用數位訊號處理技術以提高測量的精確度等級。文檔編號G08C19/16GK101165742SQ20061004805公開日2008年4月23日申請日期2006年10月20日優先權日2006年10月20日發明者於海斌,躍林,宏王,趙海燕申請人:瀋陽中科博微自動化技術有限公司