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基于M-BUS总线的智能气压传感器的设计
2006年3月9日 16:43  
  基于M-BUS总线的智能气压传感器利用高精度气压传感器、24位A/D转换器AD7714、低功耗单片机P89LPC932完成对绝对气压的测量,并通过M-BUS总线向上位机传送测量结果。目前该仪器已在矿井风压自动监测报警系统中得到应用。

  煤层自然的必要条件之一是连续供氧(即漏风),而漏风与风压有着密切的关系,故风压是防治煤层自燃的重要参数,但目前一般由人工测量,需要大量的人力,且资料整理工作量大,测定值管理滞后,不能为日常的管理及时提供所需要的技术参数,影响了煤层自燃的防治和通防管理的科学化。矿井风压自动监测报警系统可对自燃区域的风压实现连续自动检测,在出现异常时立即报警。

  如图1所示,各智能传感器和通信分站组成M-BUS总线网络,通信分站通过发送不同的地址依次控制各智能传感器执行测量工作,并读取和存储其测量数据;各通信分站与监控计算机组成RS-485总线网络,监控计算机通过发送不同的地址依次选通各通信分站,并读取其存储的测量数据;监控计算机兼作WEB服务器,可实现检测数据的网络共享。系统中的核心部分是智能气压传感器,它可测量气体的绝对压力和温度,通过二者及智能风速传感器测得的风速即可推算风压。

  硬件设计

  
供电方式

  
为减少供电电源的数量、降低费用、方便维护,各智能传感器采用总线供电方式。因总线电阻会带来压降,当总线过长或智能传感器过多时,总线末端的智能传感器将供电不足,为此,各智能传感器采用分时上电工作方式,即每一时刻只有一台智能传感器上电工作,而其余智能传感器处于低功耗的空闲等待状态。在空闲等待状态下,只有微功耗稳压器HT7150A(U1)、HT7130A(U2)和低功耗单片机P89LPC932上电,耗电仅300μA。

  P89LPC932是PHILIPS公司推出的一款微控制器,其指令执行速度6倍于标准80C51器件。它集成了许多系统级的功能,如看门狗电路、EEPROM、A/D转换器、D/A转换器等,特别是集成了CPU时钟修改寄存器DIVM,通过设置DIVM可以降低CPU的工作频率,大大降低功耗,本仪器中采用降低CPU工作频率,进入空闲方式、关闭外围电路(串口除外)等措施保证了空闲等待状态下的低功耗。另外,P89LPC932还具有地址自动识别电路,在多机通信方式下,允许UART使用硬件比较,从串行数据流中识别出特定的地址,这样就不必花费大量的软件资源去检查每一个从串口输入的串行地址,只有当通信分站发送的地址与智能传感器的地址相符时,智能传感器才从低功耗的空闲等待状态进入工作状态,将P0.0置为高电平,Q3、Q2导通,绝对气压传感器、A/D转换器AD7714上电,执行一次测量,并将测量结果发送给通信分站,然后重新进入空闲等待状态。通信分站接收并存储测量结果后,再发送其他地址,选通别的智能传感器,……,不断循环

  整流桥D3既可实现供电端(1、2)的无极性连接,又可减少电路储能对供电线的影响,符合本安仪表的设计要求。供电电源为隔爆兼本安型,具有双重过压、过流保护功能,对负载的等效电感、等效电容也有一定的限制,因此要增加总线上智能传感器的数量,必须限制每台智能传感器的等效输入电容、即C5要小。但C5作为电源滤波电容,必须保证P89LPC932可靠工作,所以电容值不能太小。在选取C5的电容值后,通过采用电阻R1来减小等效输入电容,当P89LPC932从空闲状态唤醒后,CPU工作频率被调高,功耗增加,R1的压降增大,引起U1、U2供电电压不足,所以将稳压器78L08的输出电压经D2提供给U2。

  采集电路

  
绝对气压传感器采用美国SMI公司的全温度补偿OEM压力传感器5501-030,内部为一惠斯登电桥,需恒流供电,为使仪器能分辨到Pa,A/D转换器选用美国AD公司的24位Σ-Δ式A/D转换器AD7714,它内含1个程控放大器和3个全差分输入通道,具有自校准,系统校准功能,虽然AD7714的转换精度极高,但受限于恒流源U6、电压基准D6,程控放大器增益的精度,因此采用了图2所示的测量电路,因全差分输入通道2(AIN3与AIN4)和3(AIN5与AIN6)的输入阻抗极高,吸收电流可忽略,所以,流经绝对气压传感器和精密电阻R9的电流均等于恒流源U2的电流I。每次测量都对通道2、3各执行一次自校准和转换,因两次转换相隔时间很短,所以恒流I、基准电压VREF、程控放大器增益E均不会发生变化,两通道的转换结果分别为:

  D2=K×I×E/(VREF/224),

  K为绝对气压传感器的系数,

  D3=R9×I×E/(VREF/224

  将以上两式相除得:D2/D3=K/R9。因在某气压P下K是恒定的,同时R9又是维持不变的(温度系数小于5ppm),故在该气压P下的D2/D3也是不变的,与恒流I、基准电压VREF、程控放大器增益E无关。通过标定,可建立气压P与R9×D2/D3一一对应关系。实测时,先得到R9×D2/D3,再查表计算气压P。

  通信电路

  
智能传感器和通信分站组成M-BUS总线网络,智能传感器作为从机、将测量结果传送给通信分站,再由通信分站远传给监控计算机。M-BUS总线是一种用于远程仪表读取数据的欧洲标准,它有如下特点:两线制总线,不分正负极性,施工简单;采用独特的电平特征传输数字信号,抗干扰能力强;总线可以为每一通信节点提供3.3V/3mA的稳压电源,为仪表提供两种供电方式;可采用任意总线拓扑结构,系统组网成本低、扩展灵活,总线采用12-42V电源供电,具有本质安全的防爆特性;专门设计的报文格式,满足能耗计量表联网和远程读数需要;通信过程完全由主机控制,任一通信节点故障不影响整个总线,M-BUS总线的上述特点很好地满足了本系统测点分散,智能传感器分布范围较广,工作环境恶劣,井下设备防爆等要求。

  M-BUS总线系统中,主机向从机发送数据时采用的是改变总线电压而总线电流保持不变的电压调制方式;从机向主机发送数据时采用的是总线电流调制,而总线电压保持不变,从机接口采用专用芯片TSS721A,主机接口无产品,故自行设计,并已申请国家专利,TSS721A具有动态电平辨识机制,可检测总线电压变化,并从TX端输出,从机发送数据从RX端输入,RX为高电平时总线电流维持不变;RX为低电平时,总线增加一固定电流。

  当智能传感器发送数据时,TSS721A的需要的工作电流增加,将P1.6置为高电平,Q1、光耦NEC2501-1导通,TSS721A的电流调节输入端RIDD经过电阻R5接地,可达到此目的,空闲状态时,P1.6位低电平,Q1、光耦NEC2501-1截止,TSS721A电流调节输入端RIDD经过R5和R6的电阻接地得到的从机电流减小,从而减少功耗,为防止单片机与通信电路相互干扰,采用光耦6N139将二者隔离。

   软件设计

  
软件的设计内容括主程序、串口中断服务子程序、气压测量子程序、温度测量子程序等。主程序流程图如图3所示。

 
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