多类型信号输出的力传感器信号变送器

多类型信号输出的力传感器信号变送器摘要：本文设计了一款基于CAN总线的多类型信号输出的力传感器信号变送器，本人在阅读大量文献的基础上，对硬件电路做了系统分析，设计了电源电路、数据获取和采集电路以及串行通信接口设计电路，在电源电路的设计中，采用了MAX1677作为电源部分的核心器件，得到电源部分设计要求为+3V输入，+5V和+3.3V双电压输出；在数据获取和采集电路的设计中，采用了多谐振荡器和非多谐振荡器的设计，达到了数据获取和采集的目的，在串行通信接口设计中，利用RS-485实现单片机与PC机远距离通信的一种接口,在不使用调制解调器的情况下,使用小于100kbps波特率时,信号可传输1200m,本系统传输速率为9600bps。最后以CAN工业总线为基础，在KeilC环境下做了通信试验，达到了预期目标。关键词：信号变送器，CAN总线，KeilC环境第一章绪论1.1研究背景近年来，随着传感器和变送器的迅速崛起，工业自动化的发展，传感器信号变送器的应用越来越广泛。传感器信号变送器日益深刻的在改善着工业自动化领域的生产方式，已经成为工业自动化方面不可或缺的一部分。力传感器信号变送器日益成为工业数据采集的最佳渠道，并逐步进入传统的流通领域。传感器信号变送器在自动化领域的不断发展，越来越多的客户在工业生产中需要多种可选的输出信号类型来采集便捷的数据。根据ARC咨询集团变送器世界调查报告显示,全世界压力变送器市场2002年其市场销售额为12.74亿美元,2007年达到14.71亿美元。2004年中国的变送器市场接近l亿3500万美元,而到2009年,中国的变送器市场到达了2亿3100万美元。1.2研究意义本论文目的是设计出多类型信号输出的力传感器信号变送器。设计模块的软硬件，对传感器的信号进行高精度采集与处理，模块对外采用标准接口；设计模块的软件，要求能通过PC机对采集模块的系统参数进行配置并保存，能通过PC机实现传感器的系统校准；设计的多类型信号输出的力传感器信号变送器要求能标准工业变送信号产生，能够通过相关总线将信号通过有线方式远传，并要求设计无线数据传输链路，使力传感器信号变送器实现短距离无线数据通信。1.3国内外研究现状在国外,美国、德国及日本等国家,很早之前就把传感器技术列为重点开发的技术之一。早在上世纪80年代,美国就已宣称人类社会进入传感器时代,2000年时美国空军举出的15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术中,传感器技术位列第二。日本也把计算机、通信、激光、半导体、超导和传感器列为六大核心技术,日本科学技术厅制订的90年代重点科研项目,超过四分之一与传感器紧密相关。目前,国外的压力传感器技术水平已经很高,主要表现在:1)精度高,测量范围广。压力传感器精度可达0.1%。-0.05%甚至0.01%。PSI公司的标准数字型压力传感器重复性可达0.005%,滞后0.001%,温度误差0.0002%,测量范围和工作温度跨度也十分可观;2)小型化、系列化、标准化。量程覆盖0.01-lOOOOPsi;3)可靠性高、稳定性好。敏感元件可靠度高达8-9级;4)品种多、更新换代快。国外传感器品种超过2万余种,产品更新换代时间一般不超过2-3年。在国内,我国起步略晚于国外,MEMS技术不够成熟,传感器行业整体规模相对较小。上世纪70年代初,我国开始逐步研究集成压阻式压力传感器,并于1974年研制出国内第一代圆膜片式鞋压阻式压力传感器。90年代后,高精度压力传感器是我国研究的重要方向。目前国内从事传感器研发生产的厂家已达1300余家。但是产品种类仅有300余种,是现有传感器种类总量的七分之一。大部分厂家规模小,技术设备落后,整体上与世界先进国家或企业相比,科研水平落后5-10年,生产水平更是落后10-20年。在产品的更新换代方面,速度落后几个周期。这些现状导致国内的传感器产品种类十分不全,产量过低,因此远远无法满足国内需求。由于我国工业基础比较落后,能够自主开发微位移电子式压力变送器能力的企业非常的少,其中绝大部分选择了引进技术或者合资组装的方式进行生产，例如北京远东仪表厂、西安仪表厂在80年代,上海自动化仪表一厂在20世纪90年代初,都选择了从美国Rosemount公司引入1151系列的电容式压力传感器变送器。横河公司与四川仪表总厂合资成立了重庆川仪横河公司(后改成重庆横河川仪公司),进行生产EJA系列变送器，同时通过横河公司及川仪总厂在中国的销售网络进行推销,年销售额快速增长,其销售的势头甚至超过了著名的罗斯蒙特公司旗下的变送器类产品。ABB公司在1999年推出柳20O0T智能变送器后与上海威尔泰公司合资建立生产线,并己经取得了年销售数万台的业绩。近年来,由于跨国公司在中国变送器的销售量大幅增长,除了日本富士与浙大中控仪表公司合作生产CXT变送器之外,西门子、德国E+H、ABB均己在中国建立自己的变送器生产线。上海光华仪表厂依靠自己力量于1981年成功开发了相当于1151系列的cEc系列电容式压力变送器。第二章信号变送器简介2.1信号变送器的原理信号变送器是一种对各种信号进行处理的设备，如温度信号、电流、电量信号等，它的工作原理：开始要将仪表或变送器的信号，经过半导体器件进行调制变换，随后使用磁感或光感器件来进行隔离转换，之后再解调变换回隔离之前的原信号，同时对隔离之后信号的供电电源做隔离处理，用来保证变换后的信号、电源、地之间的绝对的独立。2.2信号变送器的种类（1）隔离器：为了加大仪表的负载能力并同时确保连接同一信号的仪表之间不存在干扰，使电气安全性能得到提高，工业生产中应该将输入的电流、电压或电阻、频率等信号进行采集、运算、放大、以及进行抗干扰处理之后，再输出隔离的电压和电流信号，安全的传送到二次仪表或plc\dcs使用。（2）配电器：一般工业现场需要采取两线制的传输方式，不只是要为一次仪表如变送器等提供24V的电源，还必须要对输入进来的电流信号作采集、运算、放大、以及抗干扰处理之后，才能输出隔离的电压和电流信号，以供下一级的二次仪表等进行使用。（3）安全栅：部分特殊的工业现场不仅仅对两线制传输有需求，他们需要既提供配电电源又提供信号隔离的功能，同时必须要具有火花防爆的安全性能，能够可靠地抑制电源的功率、防止地、信号及电源之间的点火，降压、限流双重限制信号和电源的回路，最大限度的确保安全。第三章硬件电路设计3.1.系统分析智能传感器基本的结构如图2-1所表示。该智能传感器系统由传感器接收设备与测量设备两个部分所构成，其中在工业现场设置传感器测量设备，而接收设备直接与上位机通过485模块相连，数据的收发由上位机来控制。接收设备与测量设备之间的无线通讯通过射频通讯模块来进行。两者的大体结构相同，主要分为如下几个大的部分：射频通讯模块、主控模块、数据存储单元、液晶显示模块、键盘、电源模块等。此外接收设备还包含了485通讯模块，它的作用是和上位机进行通讯；而传感器设备的主控模块有传感元件相连，如图2-1所示。图2-1：智能传感器的基本功能模块该智能传感器主要的功能模块可以归纳为五大类：1）数据采集：指的是传感器在单片机的控制下，通过功能传感器实现特定信号的数据采集和测量的功能。采集到的数据和信号将由传感器传输至单片机中。2）液晶显示模块：指的是采集到的数据由单片机处理后发送至液晶显示模块并根据特定的格式将其显示。3）无线传输：接收设备与测量设备之间采用射频通讯的模块实现无线通讯；此外其他器件或操作者也能够通过无线传输模块，发送控制指令至单片机，起到控制仪器模式的作用。4）电源模块：为单片机及各个模块供电，确保系统运行。5）485通讯模块：负责传感器系统中的接收设备与上位机的之间的通讯，传输控制指令与测量数据。3.2.技术方案3.2.2电源电路（1）电源部分电压的输入输出要求在市场上可以买到的电池种类有很多，比如常规的1.2V（1.2V的整数倍）的镍镉充电电池、9V和1.5V的干电池以及3.6V的锂离子电池。除此之外，市场上还存在着好多特殊的3V，4.5V，5V，6V和12V的电池来满足特殊用户的选择，不过从使用人购买和更换备用电池方便的立场去考虑，就要尽量选择互换性比较好的普通电池。所以再电源部分的输入我们选择了2节5号干电池。单片机及接口部分、传感器及其驱动电路、外部存储器部分以及其他部分数字电路则要选择+3.3V的电压，LCD输出显示则要选择+5V的工作电压。由以上的分析我们可以看出，电源设计部分要求是+3V的输入，+3.3V和+5V双电压输出，所以一定要选择相应的集成电源稳压变换器件，使外围的电路体积尽可能小，电路结构尽量的简单。（2）电源稳压器件的选择和具体实现图2-2：MAX1677电源处理电路原理图电源部分的核心器件选用MAX1677，由于MAX1677输入电压（0.7V-5.5V）范围比较大，能够按照不同系统提供的不同电池容量与电压和所需的安装空间，去选择合适的电池种类，1-3节碱性电池、普通干电池、一节锂电池或镍镉充电电池都可以使系统正常的工作。使用MAX1677的供电部分电路的原理图如图2-2所示，采用0805表贴元件，在电路板上电源处理电路实际占用的尺寸仅有22mm*17mm。MAX1677是双电压输出升压DC-DC变换器，对于需两种可调电压输出的便携式的仪器都适用。其性能主要为：允许输入的电压范围在0.7V-5.5V指间，主输出在2.5V-5.5V电压可调输出，也可以预设值3.3V输出，最大输出电流可以高达350mA，第二输出，能够提供+28V~-28V范围内任意的电压，电源效率高达95%。16脚QSOP封装，无需外部的场效应管，体积很小。此外还包括其他性能：1uA的关断维持电流、20uA的静态工作电流和电池欠电压监测。当电池电压处在正常状态时，电池电压过低输出引脚LBO（Low-batteryOutput）得输出是高电平，但是当电池电压低于阈值电压VTRIP时，LBO管脚的输出将会变成低电平。这样，就能够将LBO端连接到单片机的某个输入端，在电池电压不足时，就会被单片机监测到，并在LCD显示器中显示出来。3.2.3数据获取和采集电路（1）多谐振荡器图2-3：对称式多谐振荡器电路多谐振荡器属于一种特殊的自激振荡电路。多谐振荡器由于不存在稳定的工作状态，其也被称为无稳态电路。其工作状态就是，若一开始多谐振荡器处在0的状态，则它在0状态不会一直保持，在一定的时间后会自动的转入到1状态，但是在1状态也不会一直保持下去，在一定的时间后又会自动的转入0状态，这样来回的循环，得到一个矩形波的输出。如图2-4，对称式多谐振荡器是一个振荡正反馈电路。RF1和RF2是两个反馈电阻，C1和C2是两个藕合电容，G1和G2是两个反相器。只要科学地选则反馈电阻的阻值，就能够使反相器的静态工作点处在电压传输特性的转折区。在接上电源时，C1和C2的两端电压VC1和VC2都是0。在某种干扰导致VI1出现微小的正跳变，则经过了一个正反馈的过程，VI1将会迅速变为VOH,同时VO1也会迅速地跳变为VOL,VI2迅速跳变为VOL,VO2迅速跳变为VOH，此时电路就进入了第一个暂稳态。在第一个暂稳态中电容C1和C2充电。C1充电的电流方向和参考方向一致，正向VC1增加；C2充电的电流方向和参考方向正好相反，负向VC2增加。正向VC1逐渐的增加，使得VI2从VOL逐渐上升；VC2负向的逐渐增加，导致VI1从VOH逐渐下降。因为C1经R1和RF2两条支路充电而C2只经RF1一个支路进行充电，因此C1充电的速率较快，在VI2上升至VTH时VT1还没有下降至VTH。VT2上升至VTH将会使得VO2跳变为VOL。理论上，VO2向下跳变VOH-VOL，VI1也将随之向下跳变VOH－VOL。考虑到G1输入端二极管的钳位影响，VI1最多只能跳变到VIK。VI1降低至VIK使VO1跳变至VOH，这又使得VI2从VTH向上跳变VOH-VOL,即V12变为VTH+VOH－VIH，这样电路就进入第二个暂稳态。C1经RF2一条支路反向充电，VI2将会逐渐下降。C2经G