工業(yè)無線的單晶硅壓力變送器

摘要:在工業(yè)過程自動化現(xiàn)場往往存在布線困難,人員無法到達(dá),電磁干擾強(qiáng),空間復(fù)雜等特點(diǎn),尤其是油氣化工行業(yè)，需要一款滿足工業(yè)現(xiàn)場使用的無線精度高壓力變送器對壓力、液位的測量與監(jiān)測,將工業(yè)無線通信技術(shù)與精度高單晶硅壓力測量技術(shù)相結(jié)合,通過24位高精度A/D采樣、線性擬合、溫度補(bǔ)償、濾波算法等流程實(shí)現(xiàn)平滑的高精度壓力測量,采用電池供電并考慮工業(yè)現(xiàn)場防爆要求,在滿足工業(yè)現(xiàn)場對低速率、成本敏感、局域覆蓋、數(shù)據(jù)量小、長電池壽命的工業(yè)現(xiàn)場無線局域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控需求的基礎(chǔ)上,開發(fā)一種滿足工業(yè)無線通信標(biāo)準(zhǔn)的精度高壓力變送器?？梢蕴岣吖I(yè)現(xiàn)場壓力測量的信息化、數(shù)字化管理水平,大幅降低運(yùn)維成本,工業(yè)無線壓力變送器有廣闊的應(yīng)用前景。
0引言
　　現(xiàn)代工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用加速向信息化、數(shù)字化、高實(shí)時(shí)性、大數(shù)據(jù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方向快速發(fā)展,工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)各行業(yè)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用需求將會越來越普及。工業(yè)無線技術(shù)有著低成本、效率高、可靠性高、鋪設(shè)便捷等巨大的優(yōu)勢,在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相對傳統(tǒng)的兩線制、四線制工業(yè)總線傳輸?shù)膲毫ψ兯推鞫裕?a href="http://www.shoutll.cn/">壓力變送器是以無線通信方式接入可控的局域網(wǎng)絡(luò),結(jié)合PC運(yùn)行的強(qiáng)大的DCS服務(wù)端數(shù)據(jù)分析和管理軟件,對無線壓力變送器實(shí)施無人遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控,工業(yè)無線通信技術(shù)選擇具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、滿足離散工業(yè)現(xiàn)場需求的無線通信網(wǎng)絡(luò)。通信技術(shù)具有高可靠性，高抗干擾能力、較低成本，超低功耗的無線Mesh局域網(wǎng)絡(luò),非常適合離散工業(yè)過程自動化及工廠信息化領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)場[4)，尤其是油氣、化工和罐區(qū)等應(yīng)用場景。
1工業(yè)無線變送器特征
　　離散工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用要求工業(yè)無線變送器采用符合防爆國家標(biāo)準(zhǔn)(GB3836)允許的鋰亞硫酰氯電池供電，測量精度高達(dá)滿量程的0.05%/FS,支持通過磁隔離按鍵和通信方式對無線變送器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,防護(hù)等級達(dá)到IP67,滿足國家防爆性能,無線網(wǎng)絡(luò)遵循無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)是由無線網(wǎng)關(guān)和多個(gè)無線設(shè)備組成,無線網(wǎng)關(guān)支持100個(gè)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的能力,實(shí)際應(yīng)用中為了有更好的實(shí)時(shí)性推薦一個(gè)網(wǎng)絡(luò)不超50個(gè)設(shè)備,數(shù)個(gè)無線局域網(wǎng)絡(luò)可通過以太網(wǎng)、工業(yè)總線、4G/5G通信擴(kuò)展形成大規(guī)模數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)屬于Mesh網(wǎng)絡(luò),無線設(shè)備同時(shí)具有路由跳轉(zhuǎn)功能,通用物理層射頻芯片可以有效控制成本和物料采購,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)--的時(shí)間片同步管理,最大化的平衡了休眠和運(yùn)行占空比，符合電池供電方式的低能耗特點(diǎn),滿足油氣化工行業(yè)的離散工業(yè)監(jiān)測、工廠數(shù)字化場景應(yīng)用要求的低速率、低成本、局域覆蓋、小數(shù)據(jù)量的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)。
　　無線壓力變送器將采樣的單晶硅壓力傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性處理及補(bǔ)償轉(zhuǎn)換為2.4GHz無線信號接人支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)中,無線網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備管理和網(wǎng)絡(luò)維護(hù),無線網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)或RS485接口遵循modbus或OPC等工業(yè)應(yīng)用層通信協(xié)議接入當(dāng)?shù)谼CS系統(tǒng)。
一個(gè)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)主要由以下部分組成:
·無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備:工業(yè)無線壓力變送器，安裝在離散工業(yè)現(xiàn)場。
·無線網(wǎng)關(guān):負(fù)責(zé)無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備管理和響應(yīng)DCS系統(tǒng)或上位機(jī)數(shù)據(jù)讀寫請求。
·DCS系統(tǒng)或上位機(jī):上位機(jī)是用戶、網(wǎng)絡(luò)管理及維護(hù)人員與通信網(wǎng)絡(luò)交互的平臺,用戶可以通過上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理軟件對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置及與終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互,工業(yè)現(xiàn)場--般是DCS系統(tǒng)。
2變送器硬件設(shè)計(jì)
　　工業(yè)無線變送器硬件設(shè)計(jì)要滿足低功耗運(yùn)行、精度高測量、無線通信和防爆要求。硬件框圖如下。
 
2.1供電電路設(shè)計(jì)
　　無線變送器采用電池供電,為了滿足防爆和無線射頻發(fā)射的要求,需要對供電電路采用過流、過壓、功率限制等保護(hù)，同時(shí)也要滿足射頻信號發(fā)送的最大功率要求[8]。電池采用鋰亞硫酰氯材質(zhì)，標(biāo)稱3.6V.dc,容量19Ah鋰亞硫酰氯電池,最大開路電壓是3.76V,短路電流是1.86A,內(nèi)阻是2.31Ω,最大峰值電流400mA,可持續(xù)最大輸出230mA電流;無線壓力變送器整機(jī)最大電流經(jīng)計(jì)算約168mA,電池滿足變送器的供電能力,在電池輸出端并聯(lián)兩個(gè)齊納二極管做限壓保護(hù),考慮到保險(xiǎn)絲熔斷過程與無線變送器最大發(fā)射電流持續(xù)時(shí)間的時(shí)間差,串聯(lián)150mA熔斷式保險(xiǎn)絲做功率限制,再串聯(lián)5.1Ω/10W的功率電阻做限流保護(hù)，可以滿足本設(shè)計(jì)的防爆應(yīng)用需求。電源分兩部分分別為儀表主電路和模塊供電,一路由模擬器件搭建恒壓源給變送器主電路供電,保證主板穩(wěn)定運(yùn)行和傳感器高精度采樣。另一路經(jīng)過MCU控制的PMOS管開關(guān)電路為模塊供電，這樣可以保證電源的低功耗和高效率。
2.2采樣主板電路設(shè)計(jì)
　　無線壓力變送器主板電路包括單晶硅壓阻式傳感器、24位高速高精度A/D采集電路、溫度在線補(bǔ)償電路、人機(jī)輸人及數(shù)顯電路、EEPROM存儲電路及外部時(shí)序監(jiān)控電路。采用激光焊技術(shù)將單晶硅SENSOR晶圓封裝于充滿硅油的金屬膜片中組成了壓力傳感器,施加恒流電流的壓力傳感器橋電路受物理擠壓會產(chǎn)生微弱毫伏電壓變化信號,經(jīng)精度高、低溫漂的放大電路整形、跟隨、放大、濾波、溫度補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,將數(shù)字信號通過最小二乘法五階線性擬合和溫度補(bǔ)償計(jì)算得到準(zhǔn)確的壓力數(shù)據(jù)";人機(jī)輸人及數(shù)顯電路提供3個(gè)磁隔離按鍵和一個(gè)低功耗LCD,通過磁按鍵可進(jìn)行無線壓力變送器的參數(shù)設(shè)定和工作方式切換,LCD用于顯示被測數(shù)據(jù)、故障信息和工作方式，磁按鍵的功能也可通過無線通信的方式進(jìn)行設(shè)置。所有器件的選型要兼顧低功耗、性價(jià)比高的特點(diǎn),符合批量生產(chǎn)的要求。
2.3通信模塊通信接口
　　無線通信模塊選用ZANW900，它由符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線射頻芯片CC2520和超低功耗單片機(jī)組成,射頻前端包含了功率放大器PA和低噪聲放大器LNA,發(fā)射功率最大20dbm,接收靈敏度可達(dá)一102dbm,在空曠無遮擋的情況下通信距離室外能達(dá)到1000米,室內(nèi)可達(dá)300米，模塊采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間片管理和低能耗管理技術(shù),休眠最小電流約為1μA。無線模塊通過TTL電平的異步串行接口UART與變送器的MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
3變送器軟件設(shè)計(jì)
　　無線壓力變送器軟件運(yùn)行流程包括采樣與控制(采樣、控制、智能化數(shù)顯按鍵等)、低功耗調(diào)度、通信三大任務(wù)。
 
3.1采樣與控制任務(wù)
　　采樣任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)對傳感器模擬信號的采集、濾波、處理、算法分析，通過相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)采集信號的穩(wěn)定準(zhǔn)確計(jì)算。輸出當(dāng)前壓力值給控制任務(wù)模塊和LCD數(shù)顯模塊;控制任務(wù)模塊響應(yīng)來自按鍵、無線網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)定上位機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)交換、參數(shù)傳遞,實(shí)現(xiàn)對儀表的量程上下限、阻尼濾波，壓力最小測量范圍、零點(diǎn)偏移量及傳.感器上下限的標(biāo)定和對比;以及網(wǎng)絡(luò)PANID設(shè)、信道、組號表號、數(shù)據(jù)更新率的設(shè)置。
控制任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)子任務(wù)單元塊的合理分配資源與時(shí)間以兼顧高效運(yùn)行和低能耗特點(diǎn),同時(shí)監(jiān)視整機(jī)運(yùn)行的智能化診斷功能;智能化診斷功能實(shí)現(xiàn)壓力、溫度多變量監(jiān)測與補(bǔ)償、過程狀態(tài)監(jiān)測與診斷。軟件內(nèi)存設(shè)置有狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)表和報(bào)警信息表,對軟件各單元模塊周期性的巡檢關(guān)鍵測量信號,并與內(nèi)存設(shè)置的狀態(tài)數(shù)據(jù)表相比較,判斷儀器的工作狀態(tài)是否超出邊際，當(dāng)有異.常狀態(tài)發(fā)生或預(yù)判到可能導(dǎo)致異常發(fā)送時(shí),置位對應(yīng)的報(bào)警信息,通過LCD、無線通信的方式發(fā)出診斷異常預(yù)警信息，實(shí)時(shí)采樣被測壓力變化、傳感器溫度和電路主板溫度,利用最小二乘回歸算法計(jì)算出壓力傳感器的五階溫度補(bǔ)償系數(shù),實(shí)時(shí)連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)匯集到一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖池中,通過中值濾波和卡爾曼濾波算法確保測量值的正確性和平滑性。
3.2低功耗調(diào)度任務(wù)
　　對于電池供電設(shè)備來說,節(jié)能長壽命是非常重要的指標(biāo)，所以低功耗調(diào)度任務(wù)需要做到微安級別的功耗控制，平衡工作與休眠模式的高效切換,有效調(diào)配各個(gè)電路單元、MCU各外設(shè)資源、軟件子任務(wù)塊時(shí)序等在有效的時(shí)間內(nèi)完成各自任務(wù)后就進(jìn)人休眠模式。無線網(wǎng)絡(luò)是采用時(shí)間片同步的無線網(wǎng)絡(luò),無線壓力變送器人網(wǎng)后在其固定的時(shí)隙工作,在無任務(wù)的時(shí)隙中進(jìn)人休眠模式,休眠時(shí)在固定的時(shí)間片進(jìn)行快速網(wǎng)絡(luò)同步,所以在休眠模式下也不會掉線;當(dāng)無線壓力變送器通信間隔大于10min/次時(shí)，可以關(guān)掉通信模塊電源起到最大化降低功耗作用;當(dāng)要求通信頻率較高時(shí)，模塊待機(jī)模式喚醒更快且不掉線,因?yàn)橹匦聠由漕l時(shí)功放全開搜網(wǎng),人網(wǎng)等待時(shí)間受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和信號強(qiáng)度影響電量消耗較大，所以要根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用需求做合理的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機(jī)制。
3.3無線通信任務(wù)
　　變送器上電后MCU對通信模塊進(jìn)行初始化配置，偵聽相同網(wǎng)絡(luò)號、信道的無線網(wǎng)關(guān)廣播幀并申請加人網(wǎng)絡(luò),如加人不成功則休眠30分鐘后再次偵聽,加入無線網(wǎng)絡(luò)成功后,變送器就處于網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的時(shí)隙工作周期中,這個(gè)時(shí)隙周期被分成150個(gè)時(shí)間片,每個(gè)時(shí)間片被分派給一個(gè)無線變送器的通信時(shí)隙,無線數(shù)據(jù)發(fā)送間隔是由用戶通過按鍵或通信方式自定義設(shè)置的傳輸間隔決定的，通過低功耗定時(shí)器喚醒變送器執(zhí)行采用和無線通信任務(wù),無線通信任務(wù)主要包含兩部分,即用戶數(shù)據(jù)傳輸和用戶數(shù)據(jù)接收,用戶數(shù)據(jù)傳輸是將用戶采集的數(shù)據(jù)打包成通信模塊可識別的HDLC幀格式的數(shù)組,通過串行通信接口傳輸?shù)酵ㄐ拍K,數(shù)據(jù)先加人通信模塊緩沖中，等待通信的時(shí)間片到達(dá)后以無線電磁波的方式發(fā)送出去,同樣當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)要向通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)或命令時(shí)，也是輪到此變送器的時(shí)間片到達(dá)后再發(fā)送,變送器MCU接收到通信模塊的串行HDLC格式數(shù)據(jù)后,對HDLC幀格式的數(shù)組進(jìn)行拆包并奇偶校驗(yàn),提取出用戶數(shù)據(jù),這就是用戶數(shù)據(jù)接收過程。變送器的工作時(shí)間片過后就進(jìn)人短暫休眠狀態(tài)直到下一個(gè)時(shí)隙周期到達(dá)后喚醒。
4測試驗(yàn)證
　　工程樣機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)完成后，按照如下測試方法進(jìn)行精度和網(wǎng)絡(luò)測試驗(yàn)證。
 
　　待測無線變送器與壓力計(jì)和壓力發(fā)生器連接,由壓力計(jì)和壓力發(fā)生器提供高精度的壓力被測源,先進(jìn)行滿量程測量范圍內(nèi)的壓力標(biāo)定,標(biāo)定后就可以進(jìn)行高精度的實(shí)際測量。無線網(wǎng)關(guān)上電并通過以太網(wǎng)連接電腦,WIA控制臺組圖軟件從無線網(wǎng)關(guān)讀取到人網(wǎng)的無線變送器數(shù)據(jù)如下圖4,無線變送器符合工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
 
　　經(jīng)過壓力計(jì)、無線變送器及WIA控制臺軟件的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定并對比計(jì)算,在測試過程中壓力計(jì)加壓300kPa測量精度可以達(dá)到0.04%,高于0.05%的目標(biāo)。本無線壓力變送器設(shè)計(jì)使用了先進(jìn)的單晶硅壓力傳感器、高可靠性的電子電路設(shè)計(jì)、精密的溫度補(bǔ)償和線性補(bǔ)償，有效保證了產(chǎn)品的精度高、穩(wěn)定性好,可用于液體、氣體壓力和液位的測量。
5結(jié)束語
　　通過采用24位精度高A/D采樣、低溫漂設(shè)計(jì)方法結(jié)合二乘法五階線性擬合和濾波算法計(jì)算實(shí)現(xiàn)了壓力的高精度測量,集成了符合工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通信技術(shù)到壓力變送器;充分考慮了離散工業(yè)現(xiàn)場對低功耗、低速率、局域覆蓋、精度高測量、工業(yè)防潮防爆等要求,從硬件和軟件兩方面展開了描述,該無線變送器設(shè)計(jì)可以滿足離散工業(yè)現(xiàn)場對過程壓力測量、液位測量的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測。