基于HART協(xié)議的精度高單晶硅壓力變送器

摘要：微電子機械加工系統技術(shù)的日趨成熟為傳感器行業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)新的革命。具有穩定性的單晶硅傳感器在壓力測量方面運用，打開(kāi)了壓力變送器的市場(chǎng)。單晶硅壓力傳感器檢測外界壓力，電子電路采集與壓力成對應關(guān)系的電壓信號，軟件溫度補償及線(xiàn)性校正，并將將壓力轉變成4～20mA電流信號輸出，基于HART協(xié)議通信，實(shí)現參數修改及過(guò)程控制。單晶硅壓力變送器的精度高、穩定性高、低溫度影響、超高過(guò)壓等優(yōu)異性能，適用于工業(yè)過(guò)程控制、自動(dòng)化制造、航天航空、汽車(chē)與船舶、醫療衛生等眾多領(lǐng)域。
       傳統電容式壓力傳感器因其結構特性，改進(jìn)空間有限，而隨著(zhù)單晶硅傳感器技術(shù)的發(fā)展，對相關(guān)技術(shù)的掌握，開(kāi)拓了壓力變送器的市場(chǎng)，其外形如圖1所示。

       單晶硅壓力變送器采用單晶硅壓力傳感器芯片，被測壓力直接作用于單晶硅傳感器的隔離膜片上，使膜片產(chǎn)生與壓力成正比的微位移，通過(guò)硅油傳導至單晶硅傳感器芯片上，使傳感器對應于所傳入的壓力輸出一個(gè)相對應的差分信號，由微處理器內部的精度高AD模塊放大轉換成數字量，并且通過(guò)單晶硅壓力傳感器內部集成的溫度傳感器采集溫度用于溫度非線(xiàn)性補償，以及專(zhuān)用通信芯片構成HART通信電路，在軟件程序的支持下完成所需的測量及通訊任務(wù)。壓力信號處理后輸出與單晶硅壓力傳感器所對應的壓力成線(xiàn)性關(guān)系的標準4～20mA輸出的電信號，并且符合HART協(xié)議通訊，實(shí)現參數設定及過(guò)程控制。
1壓力變送器硬件設計及實(shí)現
1.1硬件原理設計
       被測介質(zhì)的壓力作用于單晶硅壓力傳感器上，通過(guò)信號檢測電路將其轉換為直流電信號，通過(guò)信號調理轉換為一定幅度的電壓信號，經(jīng)A/D轉換為數字量傳送至MCU處理，壓力及溫度信號經(jīng)微處理器的數據處理，程序運算，并經(jīng)D/A轉換以及HART通信電路處理，將壓力及溫度參數轉換成所需要的4～20mA標準直流電流信號及符合HART協(xié)議的數字信號，并調制在二線(xiàn)制電流信號上，提供給用戶(hù)使用，同時(shí)驅動(dòng)LCD液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。在變送器電路中設置了專(zhuān)門(mén)用于存儲傳感器特征信息的存儲器芯片，用于傳感器出廠(chǎng)特征數據的保存實(shí)現關(guān)鍵參數冗余保護。如圖2所示。

1.2單晶硅傳感器模塊
       單晶硅壓力傳感器內部封裝的傳感器芯片的本質(zhì)將決定最終產(chǎn)品的性能與等級。本文中的傳感器采用的MEMS技術(shù)制成的穩定性高單晶硅傳感器芯片，懸浮式設計，內嵌測壓膜盒與信號處理模塊，使信號具有一致性，減少裝配應力引起的誤差，具有穩定性。單晶硅壓力傳感器的輸出靈敏度高、信號量大，并且電路設計較為簡(jiǎn)潔可靠，與傳統金屬電容式傳感器相比較，具有很好的回差特性，線(xiàn)性誤差曲線(xiàn)的回差極小，基本可以忽略不計。單晶硅壓力傳感器內部集成有隨溫度線(xiàn)性變化的二極管，測量溫度用于溫度補償參考，可在大范圍內的靜壓和溫度下提供測量精度和穩定性。
1.3信號處理模塊
       智能壓力變送器信號處理模塊主要由MCU微處理器、A/D轉換、D/A輸出、存儲器等部分組成。
       選用一款具有超低功耗功能強大的單片機，具有豐富的片上外圍模塊、強大的運算處理能力、中斷資源多，開(kāi)發(fā)方式方便高效。MCU內含一個(gè)24位精度高Σ－Δ型ADC，信號單端/差分輸入，內部1.2V基準電壓源，適用于傳感器信號轉換處理。精度高AD將傳感器模塊檢測輸出的模擬電信號轉換為數字信號，交由MCU芯片處理，主控芯片完成線(xiàn)性化，溫度補償等相關(guān)計算功能后，相關(guān)的AD值，PV值等數據存放在存儲器中，由HART信號實(shí)現同上位機的通信和數據交換，并且通過(guò)LCD液晶屏就地顯示。
       4～20mA轉換輸出選用了低功耗、精度高的D/A轉換芯片AD5421。4～20mA電流環(huán)的16位DA轉換器，與HART協(xié)議兼容，并且具有可編程的報警電流輸出，在兩線(xiàn)制智能變送器中是一個(gè)非常理想的電流環(huán)芯片，滿(mǎn)足智能變送器的工業(yè)控制標準信號輸出。
1.4HART通信模塊
       HART協(xié)議通信模塊主要由HART調制解調芯片和D/A轉換器AD5421及其外圍電路實(shí)現。采用低功耗的AD5700作為HART調制解調器。芯片內部集成了符合Bell202標準的調制器、解調器、接收濾波器、發(fā)送信號整形電路、載波檢測等電路便于構建滿(mǎn)足HART協(xié)議物理層。
2壓力變送器軟件設計及實(shí)現
2.1軟件功能設計
       軟件由任務(wù)分配引擎、中斷系統處理、硬件驅動(dòng)程序、HART協(xié)議棧、HART任務(wù)處理、AD/DA任務(wù)處理、干簧管按鍵處理模塊組成，如圖3所示。

       任務(wù)分配引擎以5ms的定時(shí)器中斷為時(shí)間基準，進(jìn)行任務(wù)的執行分配，然后將對應數據進(jìn)行綜合處理后，顯示在液晶面板、存儲于鐵電存儲器以及進(jìn)行HART數據傳輸?；谲浖K框圖的主函數流程示意圖如圖4所示。

軟件功能主要分為三個(gè)部分：
1）壓力以及溫度信號的采集、處理和變送；
2）HART通信，進(jìn)入中斷，識別和響應通信信號，包含數據鏈路層、應用層和層間接口等部分程序；
3）LCD液晶顯示，按鍵就地調零、數據讀取及存儲等。
2.2軟件溫度補償算法
       用于壓力測量的傳感器，因其材料的固有特性，普遍存在著(zhù)溫度漂移和非線(xiàn)性等問(wèn)題。為了實(shí)現輸入與輸出的線(xiàn)性化，要對采集的數字信號進(jìn)行溫度補償與校正，而補償方法及校正技術(shù)的選擇直接決定變送器的輸出精度及可靠性。
       針對溫度影響，采集傳感器輸出數字信號，運用MATLAB對大量的數據樣本仿真建模，發(fā)現單晶硅壓力傳感器輸出值誤差隨著(zhù)環(huán)境溫度取樣點(diǎn)和輸入壓力取樣點(diǎn)的變化，呈現非線(xiàn)性曲面特征。對比分析各種數值分析方法，找到一種智能算法結合自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)溫度補償軟件平臺，很好地解決此類(lèi)問(wèn)題，此算法能夠根據散亂數據點(diǎn)發(fā)現和保持曲面的本質(zhì)結構和特征，樣本數據量小，計算不復雜。對原始數字信號，經(jīng)過(guò)溫度補償算法輸出修正溫度影響后的數字信號，進(jìn)入非線(xiàn)性校正即可實(shí)現將數字信號轉換成壓力值。此算法精度高且具有普遍適用性。
2.3軟件非線(xiàn)性化處理
       在常溫25℃情況下，采集量程的0％、25％、50％、75％、100％共5壓力點(diǎn)的AD值，采用分段線(xiàn)性的方法標定，實(shí)現AD數字量轉換出對應壓力物理量。其他溫度點(diǎn)的AD碼值需先經(jīng)溫度補償修正后為新的AD值，然后將此AD值轉換成對應的壓力值輸出。如圖5所示。

3測量結果分析
       本文選取壓力測量范圍為：0～200kPa，工作溫度范圍為－20～70℃。由以上實(shí)驗數據可以看出，單晶硅壓力傳感器本身良好的穩定性加上創(chuàng )新的軟件溫度補償算法，最終測量結果具有很高的精度，達到全溫度范圍全量程范圍內滿(mǎn)足0.075％的精度，完整修正了溫度的影響。如表1所示。

4結束語(yǔ)
       介紹了單晶硅壓力變送器，融入創(chuàng )新的溫度補償算法，實(shí)現單晶硅壓力傳感器穩定性高、精度高輸出，其精度等級達到了等級的0.05級，其部分性能甚至越過(guò)了國外發(fā)達國家的變送器水平?，F場(chǎng)總線(xiàn)HART協(xié)議的使用，可以實(shí)現現場(chǎng)設備數據的修改及遠程控制的智能化，拓寬了公司產(chǎn)品系列，增強了市場(chǎng)競爭力。