压力变送器
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基于MSP430的无线压力变送器设计

作时间:2018-08-21  来源:  作者:姜 涵
   

 摘 要:文章研究了基于MSP430的无线压力变送器设计。无线压力变送器的特点是低成本和低功耗,在硬件的选择和软件的设计上也重点突出了低功耗的思想。硬件上采用的是MSP430低功耗芯片和低功耗数字放大器,通信上采用的是ZigBee无线通信模块。软件设计上采用间歇式工作模式,非采样期间只有显示器工作,并且有效地缩短了A/D转换的时间,从而降低了系统的功耗,整个系统通过锂电池供电,可以工作较长的时间。

 
1 设计背景
在石油开采的过程中,通常会根据井口的油压和套管压力的变化对油井的生产进行分析,所以对井口压力的测量必须做到及时准确。油田的生产环境较为恶劣,对仪器的测量要求也比较苛刻,一般需要在﹣30~﹢50 ℃,0~10 Mpa的条件下进行准确测量。
 
压力变送器是一种用来测量压力参数的仪表,目前市面上很多压力变送器都采用有线的方式进行测量数据的传输,电源也采用的是集中式供电,非常不利于设备的安装和维护,给油井的日常生产管理造成了极大的不便。因此,系统的通信模式必须换成无线通信的形式,供电方式也必须换成锂电池供电的形式。同时为了提高电池的使用时间,整个系统就必须做到低功耗,所以无论从芯片和供电电池的选择,还是电路以及程序的设计,都需要进行综合考虑。本文采用的是MSP430处理器,研究并设计了一种无线低功耗压力变送器,从而实现了井口压力参数的准确快速测量。
 
2 系统设计
本系统用Altium Designer作为平台,设计出基于MSP430单片机的无线压力变送器的原理图,参照原理图绘制压力变送器的PCB电路板并进行元件的焊接,最后用IAR Embedded Workbench IDE调试平台编写程序,下载进MSP430单片机进行调试。最终能在LCD显示屏上显示压力等参数,并可以通过ZigBee模块将数据以无线的方式发送出去。
 
总体设计应该是全面考虑系统的总体目标,进行硬件初步选型,然后确定一个系统的草案,同时考虑软硬件实现的可行性 [1-2] 。总体方案经过反复推敲,确定了以美国德州公司(Texas Instrument)推出的MSP430F161超低功耗单片机为数字压力表的核心,并选择低功耗和低成本的存储器、放大器、液晶显示器等元件,所以可将系统总体结构分为压力采集模块、无线发射模块、MSP430单片机、LCD液晶显示器、脉冲输入模块、JTAG调试接口,其总体框架如图1所示。
系统总体设计框
压力变送器是一种接受压力变量,经传感转换后,将压力变化量按一定比例转换为标准输出信号的仪表。变送器的输出信号传输到中控室进行压力指示、记录或控制。无线压力变送器的传感元件采用的是扩散硅力敏器件,敏感芯片利用集成电路工艺,在晶体硅片上制成敏感电阻,组成惠斯通电桥,作为力电转换的敏感器件。当收到外力作用时,电桥失去平衡。当给桥路加一恒流激励电源时,可以将压力信号线性地转化为工业标准的4~20 mA的电流信号或者1~5 V的电压信号,再经放大电路转化为数字信号,最后由无线模块发送至上位机。
 
本系统需要将压力参数通过压力电桥采集出来并通过放大器进行放大处理,最后在LCD上显示并可通过ZigBee与上位机进行数据交换。现实中的压力采集模块是由压力电桥构成,本次设计中由于无法测得实际压力参数,故用电位器代替电桥,通过对电位器的调节来模拟电桥因压力变化而产生的电流变化。
 
3 软件设计
本设计中以MSP430处理器为核心,通过5 V锂电池来控制压力传感器和放大器的供电,传感器将压力信号转换为电信号后,经过放大器放大转换为适合于A/D转换的电压范围,然后通过MSP430处理器内部集成的A/D转换器进行数模转换,压力信号就转换为数字信号了。然后处理器根据存储于RAM中的校准数据计算出测得的压力,最后将压力数值送液晶显示器显示。在校准过程中建立起测量值与标准压力的对应关系,校准数据保存于外部存储器中。电池经过稳压后,为长期工作的部件:处理器、存储器、显示器供电(存储器本来也可以通过单片机来控制其电源,因为存储器的存储功能只在上电或复位初始化以及校准时读取数据才需要,但是由于系统需要使用集成于存储器内的看门狗,因此需要长期工作)。数据采集部分代码如下:
 
while(1)  //主循环---------------------------------------
--------------
{
clear_watch_dog();
LPM3; //休眠
ai_power_on();
//打开AI电源
DELAY50; 
//延时
ad_on();
//打开AD AD采集时间9ms 
ai_cj();
//AI采集
slpt_timeout++; //AD采集计时
if(slpt_timeout<mdnml_data.slpt)
continue;
slpt_timeout=0;
ai_power_on();
//打开AI电源
DELAY10; 
//延时
ad_on();
//打开AD AD采集时间9ms 
bt_cj();
//电池电压采集
ad_off(); 
//关AD
ai_power_off();
//关闭仪表电源
bt_cal();
//电池电压计算
}
 
系统上电初始化之后,首先切断传感器和放大器的供电,进入休眠模式,然后根据设定的采样时间进入等待延时循环,经过一个采样周期后,计时结束,系统退出休眠模式,打开传感器、放大器电源,开始测量,进行A/D转换,然后进行数据处理和计算,最后将结果送显示器显示并将数据以数据帧的形式发送出去,整个过程结束后,立刻进入休眠模式,开始下一个采样周期循环,系统就这样周而复始地运作 [3] 。
 
4 结语
测量仪器仪表包括压力测量仪器的总的发展趋势是数字化、高性能、集成化、智能化、网络化。电池供电的无线数字压力变送器的设计满足了市场对电池供电方式、长寿命、低功耗、低成本数字式、质量高的变送器的需求,具有较为广阔的市场前景。
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