基于HART協(xié)議的精度高單晶硅壓力變送器

摘要：微電子機(jī)械加工系統(tǒng)技術(shù)的日趨成熟為傳感器行業(yè)帶來一場(chǎng)新的革命。具有穩(wěn)定性的單晶硅傳感器在壓力測(cè)量方面運(yùn)用，打開了壓力變送器的市場(chǎng)。單晶硅壓力傳感器檢測(cè)外界壓力，電子電路采集與壓力成對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓信號(hào)，軟件溫度補(bǔ)償及線性校正，并將將壓力轉(zhuǎn)變成4～20mA電流信號(hào)輸出，基于HART協(xié)議通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改及過程控制。單晶硅壓力變送器的精度高、穩(wěn)定性高、低溫度影響、超高過壓等優(yōu)異性能，適用于工業(yè)過程控制、自動(dòng)化制造、航天航空、汽車與船舶、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域。
       傳統(tǒng)電容式壓力傳感器因其結(jié)構(gòu)特性，改進(jìn)空間有限，而隨著單晶硅傳感器技術(shù)的發(fā)展，對(duì)相關(guān)技術(shù)的掌握，開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(cè)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，通過硅油傳導(dǎo)至單晶硅傳感器芯片上，使傳感器對(duì)應(yīng)于所傳入的壓力輸出一個(gè)相對(duì)應(yīng)的差分信號(hào)，由微處理器內(nèi)部的精度高AD模塊放大轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并且通過單晶硅壓力傳感器內(nèi)部集成的溫度傳感器采集溫度用于溫度非線性補(bǔ)償，以及專用通信芯片構(gòu)成HART通信電路，在軟件程序的支持下完成所需的測(cè)量及通訊任務(wù)。壓力信號(hào)處理后輸出與單晶硅壓力傳感器所對(duì)應(yīng)的壓力成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)4～20mA輸出的電信號(hào)，并且符合HART協(xié)議通訊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定及過程控制。
1壓力變送器硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
1.1硬件原理設(shè)計(jì)
       被測(cè)介質(zhì)的壓力作用于單晶硅壓力傳感器上，通過信號(hào)檢測(cè)電路將其轉(zhuǎn)換為直流電信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換為一定幅度的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送至MCU處理，壓力及溫度信號(hào)經(jīng)微處理器的數(shù)據(jù)處理，程序運(yùn)算，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換以及HART通信電路處理，將壓力及溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換成所需要的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)直流電流信號(hào)及符合HART協(xié)議的數(shù)字信號(hào)，并調(diào)制在二線制電流信號(hào)上，提供給用戶使用，同時(shí)驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。在變送器電路中設(shè)置了專門用于存儲(chǔ)傳感器特征信息的存儲(chǔ)器芯片，用于傳感器出廠特征數(shù)據(jù)的保存實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)冗余保護(hù)。如圖2所示。

1.2單晶硅傳感器模塊
       單晶硅壓力傳感器內(nèi)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(jí)。本文中的傳感器采用的MEMS技術(shù)制成的穩(wěn)定性高單晶硅傳感器芯片，懸浮式設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌測(cè)壓膜盒與信號(hào)處理模塊，使信號(hào)具有一致性，減少裝配應(yīng)力引起的誤差，具有穩(wěn)定性。單晶硅壓力傳感器的輸出靈敏度高、信號(hào)量大，并且電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)潔可靠，與傳統(tǒng)金屬電容式傳感器相比較，具有很好的回差特性，線性誤差曲線的回差極小，基本可以忽略不計(jì)。單晶硅壓力傳感器內(nèi)部集成有隨溫度線性變化的二極管，測(cè)量溫度用于溫度補(bǔ)償參考，可在大范圍內(nèi)的靜壓和溫度下提供測(cè)量精度和穩(wěn)定性。
1.3信號(hào)處理模塊
       智能壓力變送器信號(hào)處理模塊主要由MCU微處理器、A/D轉(zhuǎn)換、D/A輸出、存儲(chǔ)器等部分組成。
       選用一款具有超低功耗功能強(qiáng)大的單片機(jī)，具有豐富的片上外圍模塊、強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力、中斷資源多，開發(fā)方式方便高效。MCU內(nèi)含一個(gè)24位精度高Σ－Δ型ADC，信號(hào)單端/差分輸入，內(nèi)部1.2V基準(zhǔn)電壓源，適用于傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換處理。精度高AD將傳感器模塊檢測(cè)輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，交由MCU芯片處理，主控芯片完成線性化，溫度補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)計(jì)算功能后，相關(guān)的AD值，PV值等數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，由HART信號(hào)實(shí)現(xiàn)同上位機(jī)的通信和數(shù)據(jù)交換，并且通過LCD液晶屏就地顯示。
       4～20mA轉(zhuǎn)換輸出選用了低功耗、精度高的D/A轉(zhuǎn)換芯片AD5421。4～20mA電流環(huán)的16位DA轉(zhuǎn)換器，與HART協(xié)議兼容，并且具有可編程的報(bào)警電流輸出，在兩線制智能變送器中是一個(gè)非常理想的電流環(huán)芯片，滿足智能變送器的工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。
1.4HART通信模塊
       HART協(xié)議通信模塊主要由HART調(diào)制解調(diào)芯片和D/A轉(zhuǎn)換器AD5421及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。采用低功耗的AD5700作為HART調(diào)制解調(diào)器。芯片內(nèi)部集成了符合Bell202標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制器、解調(diào)器、接收濾波器、發(fā)送信號(hào)整形電路、載波檢測(cè)等電路便于構(gòu)建滿足HART協(xié)議物理層。
2壓力變送器軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
2.1軟件功能設(shè)計(jì)
       軟件由任務(wù)分配引擎、中斷系統(tǒng)處理、硬件驅(qū)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(zhǔn)，進(jìn)行任務(wù)的執(zhí)行分配，然后將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理后，顯示在液晶面板、存儲(chǔ)于鐵電存儲(chǔ)器以及進(jìn)行HART數(shù)據(jù)傳輸?；谲浖K框圖的主函數(shù)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(hào)的采集、處理和變送；
2）HART通信，進(jìn)入中斷，識(shí)別和響應(yīng)通信信號(hào)，包含數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層和層間接口等部分程序；
3）LCD液晶顯示，按鍵就地調(diào)零、數(shù)據(jù)讀取及存儲(chǔ)等。
2.2軟件溫度補(bǔ)償算法
       用于壓力測(cè)量的傳感器，因其材料的固有特性，普遍存在著溫度漂移和非線性等問題。為了實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的線性化，要對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償與校正，而補(bǔ)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(duì)溫度影響，采集傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，運(yùn)用MATLAB對(duì)大量的數(shù)據(jù)樣本仿真建模，發(fā)現(xiàn)單晶硅壓力傳感器輸出值誤差隨著環(huán)境溫度取樣點(diǎn)和輸入壓力取樣點(diǎn)的變化，呈現(xiàn)非線性曲面特征。對(duì)比分析各種數(shù)值分析方法，找到一種智能算法結(jié)合自主開發(fā)的自動(dòng)溫度補(bǔ)償軟件平臺(tái)，很好地解決此類問題，此算法能夠根據(jù)散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和保持曲面的本質(zhì)結(jié)構(gòu)和特征，樣本數(shù)據(jù)量小，計(jì)算不復(fù)雜。對(duì)原始數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過溫度補(bǔ)償算法輸出修正溫度影響后的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入非線性校正即可實(shí)現(xiàn)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)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，采用分段線性的方法標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)AD數(shù)字量轉(zhuǎn)換出對(duì)應(yīng)壓力物理量。其他溫度點(diǎn)的AD碼值需先經(jīng)溫度補(bǔ)償修正后為新的AD值，然后將此AD值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的壓力值輸出。如圖5所示。

3測(cè)量結(jié)果分析
       本文選取壓力測(cè)量范圍為：0～200kPa，工作溫度范圍為－20～70℃。由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，單晶硅壓力傳感器本身良好的穩(wěn)定性加上創(chuàng)新的軟件溫度補(bǔ)償算法，最終測(cè)量結(jié)果具有很高的精度，達(dá)到全溫度范圍全量程范圍內(nèi)滿足0.075％的精度，完整修正了溫度的影響。如表1所示。

4結(jié)束語
       介紹了單晶硅壓力變送器，融入創(chuàng)新的溫度補(bǔ)償算法，實(shí)現(xiàn)單晶硅壓力傳感器穩(wěn)定性高、精度高輸出，其精度等級(jí)達(dá)到了等級(jí)的0.05級(jí)，其部分性能甚至越過了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的變送器水平?，F(xiàn)場(chǎng)總線HART協(xié)議的使用，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的修改及遠(yuǎn)程控制的智能化，拓寬了公司產(chǎn)品系列，增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。