專利名稱：硅電容智能壓力/差壓變送器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬壓力/差壓變送器領域，尤其涉及一種硅電容智能 壓力/差壓變送器。
背景技術：
在工業(yè)過程控制領域，1151系列壓力/差壓變送器是壓力測量使用 最多的變送器品種。近年來，正在向小型化、高精度和智能化方向發(fā) 展。國內外的這一產品，絕大多數(shù)都是采用金屬電容為傳感器的材料。
目前，在壓力變送器在前端信號采集上，大多是通過多繞組振蕩 變壓器進行激勵的方式把電容信號轉換為電壓信號來完成壓力信號的 采集。這種方式的測量信號穩(wěn)定性較差，同時，由于測量結果為模擬 電壓信號，還需進行A/D轉換才能變成數(shù)字量，進入單片機系統(tǒng)。這 既提高了成本，又帶來了一定的精度損失。
實用新型內容
本實用新型旨在克服現(xiàn)有技術的不足之處而提供一種結構簡單， 成本低廉，測量信號精確，穩(wěn)定性高的硅電容智能壓力/差壓變送器。 為達到上述目的，本實用新型是這樣實現(xiàn)的
一種硅電容智能壓力/差壓變送器，包括硅電容壓力傳感器、時 間數(shù)字轉換電路、單片機、存儲器、智能顯示單元、D/A轉換部分及 Hart協(xié)議處理電路；所述硅電容壓力傳感器用于將外界壓力變化信號轉換為電容變 化值；
所述時間數(shù)字轉換電路的輸入端與所述硅電容壓力傳感器的輸 出端相接，其對硅電容壓力傳感器進行周期性的充放電并記錄充放電 時間，然后將所述充放電時間轉化為數(shù)字信號；
所述單片機的信號輸入端接時間數(shù)字轉換電路的信號輸出端；所 述單片機的信號輸出端分別接存儲器、智能顯示單元、D/A轉換部分 及Hart協(xié)議處理電路的輸入端；所述單片機接收時間數(shù)字轉換電路 采集的壓力信號，并對其進行運算處理；
所述存儲器用于存儲預設參數(shù)；
所述智能顯示單元用于顯示工作信息；
所述D/A轉換部分將測量結果轉化為模擬量后控制整個電路部 分的電流分配；
所述Hart協(xié)議處理電路將輸入的Hart協(xié)議通信信號進行解調并 轉換為單片機串口通信信號，再將單片機的串口輸出信號進行相應的 調制。
作為一種優(yōu)選方案，本實用新型所述單片機內配有溫度傳感器， 以實時測量硅電容壓力傳感器的溫度。
作為另一種優(yōu)選方案，本實用新型所述單片機與存儲器、智能顯
示單元及時間數(shù)字轉換電路通過SPI總線進行數(shù)據(jù)交換。
本實用新型所述Hart協(xié)議處理電路包括Hart協(xié)議芯片、輸入解
調部分及輸出調制部分；所述輸入解調部分的輸出端接Hart協(xié)議芯片
的輸入端；所述Hart協(xié)議芯片的輸出端接輸出調制部分的輸入端。
本實用新型所涉及的測量方法，依次按如下步驟實施(1) 從存儲器中調取數(shù)據(jù)；
(2) 將所采集的數(shù)據(jù)進行A/D轉換；
(3) 進行電流控制；
(4) 將步驟(3)得到的測量結果進行D/A轉換；
(5) 將步驟(4)所得結果進行數(shù)據(jù)輸出。
另外，本實用新型所述步驟(3)中的電流控制依次包括電流微調、 調整放大倍數(shù)及線性化。
再次，本實用新型在所述電流控制后可接續(xù)進行溫度補償。
本實用新型采用硅材料為傳感器的材料。由于構成傳感器的硅材 料在外力作用下有比金屬電容更好的彈性變形等特性，因此硅電容壓 力/差壓變送器比金屬電容變送器具有更好的精度和穩(wěn)定性。
本實用新型所設計的電路，把代表著壓力的電容信號，直接轉化 為數(shù)字信號，輸入到單片機中。首先，不同于市場上其它的產品，本 實用新型采用了硅電容作為壓力傳感器的材料；其次，信號采集方式 上既不同于傳統(tǒng)的通過多繞組振蕩變壓器進行激勵的方式來采集電容 信號，也不是用簡單的電容/頻率轉換電路，而是采用了精密的時間數(shù) 字轉換電路；再次，Hart協(xié)議通訊功能完備，并在指令系統(tǒng)上增加了 附和本產品的功能。
與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下特點
1) 用硅材料電容作為壓力傳感器。
2) 采用時間數(shù)字轉換電路，直接把電容信號轉換為數(shù)字信號，增 加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測量精度。3)智能通信(Hart協(xié)議)功能完備，并在指令系統(tǒng)上增加了附和 本產品的功能。以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步說明。本實 用新型的保護范圍將不僅局限于下列內容的表述。


圖1為本實用新型系統(tǒng)電路原理框圖2為本實用新型SPI總線結構圖3為本實用新型時間/數(shù)字轉換電路圖4為本實用新型測量程序流程圖5為本實用新型系統(tǒng)具體電路原理圖6為本實用新型主程序軟件流程圖7為本實用新型中斷服務程序軟件流程圖。
具體實施方式

如圖1 3所示，硅電容智能壓力/差壓變送器，它包括硅電容 壓力傳感器、時間數(shù)字轉換電路、單片機、存儲器、智能顯示單元、 D/A轉換部分及Hart協(xié)議處理電路；所述硅電容壓力傳感器用于將外 界壓力變化信號轉換為電容變化值；所述時間數(shù)字轉換電路的輸入端 與所述硅電容壓力傳感器的輸出端相接，其對硅電容壓力傳感器進行 周期性的充放電并記錄充放電時間，然后將所述充放電時間轉化為數(shù) 字信號；所述單片機的信號輸入端接時間數(shù)字轉換電路的信號輸出端； 所述單片機的信號輸出端分別接存儲器、智能顯示單元、D/A轉換部分 及Hart協(xié)議處理電路的輸入端；所述單片機接收時間數(shù)字轉換電路采集的壓力信號，并對其進行運算處理；所述存儲器用于存儲預設參數(shù); 所述智能顯示單元用于顯示工作信息；所述D/A轉換部分將測量結果 轉化為模擬量后控制整個電路部分的電流分配；所述Hart協(xié)議處理電 路將輸入的Hart協(xié)議通信信號進行解調并轉換為單片機串口通信信 號，再將單片機的串口輸出信號進行相應的調制；所述單片機內配有 溫度傳感器，以實時測量硅電容壓力傳感器的溫度；所述單片機與存 儲器、智能顯示單元及時間數(shù)字轉換電路通過SPI總線進行數(shù)據(jù)交換。 本實用新型所述Hart協(xié)議處理電路包括Hart協(xié)議芯片、輸入解調部 分及輸出調制部分；所述輸入解調部分的輸出端接Hart協(xié)議芯片的輸 入端；所述Hart協(xié)議芯片的輸出端接輸出調制部分的輸入端。
在系統(tǒng)設計上，本實用新型包括硅電容壓力傳感器，用于將外 界壓力變化信號轉換為電容變化值；
時間數(shù)字轉換電路，其輸入端與所述硅電容壓力傳感器連接；對 電容進行周期性的充放電，同時電路記錄硅電容傳感器的充放電時間， 然后把這一充放電時間轉化為數(shù)字信號；
單片機接收信號采集電路所采集的壓力信號，并對其進行各種運 算處理；
存儲器用于存儲對所述變送器進行標定所設置的各種參數(shù)； 智能顯示單元用于顯示進行過各種處理后的測量數(shù)據(jù)，以及各種
設置信息，并能進行故障提示；
數(shù)字/模擬轉換部分把測量結果轉化為模擬量(4—20mA)，并控制
整個電路部分的電流分配。形成二線制的電流測量信號；Hart協(xié)議處理電路把輸入的Hart協(xié)議通信信號進行解調，轉換為 單片機串口通信信號，又把單片機的串口輸出信號調制到變送器的二 線制電流信號之上，使變送器具有各種智能功能。
硅電容智能壓力/差壓變送器包括硅電容傳感器、信號采集板、智 能通信板、智能顯示板和變送器殼體五個部分組成。變送器系統(tǒng)結構 見圖1 。當外界壓力發(fā)生變化時，硅電容傳感器的感壓膜片發(fā)生機械 位移。而感壓膜片即硅電容的極板。這樣，外界壓力的變化，就轉化 為了硅電容的電容值的變化。硅電容的極板隨著壓力的增加和減小而 變化。如式1
P二K(C1-C2)/(C1+C2) 式l
式中P—--壓力，K為比例系數(shù)，Cl、 C2為硅電容傳感器的兩個 可變電容。
由式1可見，電容傳感器極板隨壓力變化時，當反復加上相同的 壓力，極板位置的重復性，是決定傳感器精度的關鍵。國內外的這一 產品，絕大多數(shù)都是采用金屬電容為傳感器的材料。本項實用新型采 用硅材料為傳感器的材料。由于構成傳感器的硅材料在外力作用下有 比金屬電容更好的彈性變形等特性，因此硅電容壓力/差壓變送器比金 屬電容變送器具有更好的精度和穩(wěn)定性。
傳感器的電容信號，需要轉化為輸出給單片機能釆集的信號形式。 傳統(tǒng)的壓力變送，大多是通過多繞組振蕩變壓器進行激勵的方式把電 容信號轉換為電壓信號來完成壓力信號的采集。這種方式的測量信號 穩(wěn)定性較差，同時，由于測量結果為模擬電壓信號，還需進行A/D轉換才能變成數(shù)字量，進入單片機系統(tǒng)。這既提高了成本，又帶來了一 定的精度損失。針對這一問題，近幾年，出現(xiàn)了采用時基電路等方式，
把電容信號轉化為頻率信號來完成測量。這種方式雖然減少了 A/D轉 換步驟，但由于電容轉化頻率的電路簡單，易受器件參數(shù)影響。測量 精度也不是很理想。本實用新型所設計時間/數(shù)字轉化電路，把代表著 壓力的電容信號，直接轉化為數(shù)字信號，輸入到單片機中。
如圖3，通過單片機分時控制模擬開關Kl的coml和com2引腳， 讓激勵電路分別對傳感器的Cl和C2進行充電。時間/數(shù)字轉換電路 CAV424對Cl和C2的放電過程進行精密計時，并把測量結果轉化成24 位數(shù)字信號。通過SPI接口，與單片機進行通信。
通過Hart協(xié)議對變送器的各項參數(shù)進行設置。包括日期、傳感 量程種類、傳感量程代碼、主變量單位、主變量報警選擇、溫度補償 數(shù)據(jù)、線性化數(shù)據(jù)、標記(6字節(jié))、描述符(12字節(jié))、信息(24字節(jié))、 主變量上限、主變量上限、阻尼、主變量電流零點、主變量電流量程、 傳感器量程上限、傳感器量程下限、正向量程比、反向量程比等參數(shù)。
設置的參數(shù)保存在串行EEPROM里。采用Atmel公司的93C66。它 是512*8位串行非易失數(shù)據(jù)存儲器?？杀４嬉陨蠀?shù)。
智能通信板上包括單片機、Hart協(xié)議處理電路、看門狗電路、D/A 轉換電路四部分。見圖l、 2，單片機采用Silicon公司的C8051F023。 它具有運算能力強，速度快，程序存儲量大、功耗低等特點。Hart協(xié) 議調制解調芯片采用SMAR公司的HT2012?？撮T狗電路采用MAX706。 D/A轉換電路采用AD公司的AD421，它由電流環(huán)路供電，16位數(shù)字信號以串行方式輸入，4 20mA電流輸出。系統(tǒng)硬件見圖5。以上芯片除 了完成數(shù)據(jù)運算、Hart通信、D/A轉換外，還必需考慮整個變送器的 功耗問題。也就是說，因為變送器工作為二線制4 20mA信號，因此， 必需保證整個電路的靜態(tài)功耗不能超過3. 7mA。
本實用新型的另一個技術特點為在智能通信板上，單片機系統(tǒng)內 部采用SPI總線通信系統(tǒng)。單片機、時間/數(shù)字轉換電路、E2PR0M存儲 器、液晶顯示器驅動芯片全部采用含用SPI接口的芯片，原理圖見圖2。 SPI，是英語Serial Peripheral interface的縮寫，就是串行外圍設 備接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI， 是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占 用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間提供方 便。
智能液晶顯示器采用HT1620驅動芯片。智能變送器的液晶板卡不 僅能實時顯示被測壓力值，還具有如下功能
a) 、顯示模式選擇。可切換或分時顯示測量值對應的壓力值、百 分數(shù)值、溫度值。
b) 、顯示單位選擇?？汕袚Q多種顯示單位。如"kpa"， "pa"， "咖H20" ， "mA" ， "％" ， "mmHg"等。
c) 、具有故障診斷功能。當智能變送器所測量的壓力超過傳感器 的物理量程或用戶量程時，液晶將顯示故障提示信號。
本實用新型為了使變送器在現(xiàn)場調校更加方便，還增加兩個按鍵 和一個兩位撥碼開關。兩個按鈕用于現(xiàn)場就地調整量程。當在變送器初始上電時，兩個按鈕處于"休眠"狀態(tài)，即按鍵無反應。為了使按 鈕有效，需要在上電后"激活"按鈕，方法是在變送器正常工作狀態(tài)
下雙手同時按住兩個按鈕5 10秒，此時按鈕就被"激活"，在變送器 不斷電情況下可任意連續(xù)使用兩個按鈕。若變送器斷電后又重新上電， 或15分鐘內沒有按鍵動作，為了使用按鈕需要重新"激活"。
按鈕在"激活"狀態(tài)下可用于調整變送器的零位和滿量程。每次 按鍵動作需保持5秒鐘，否則按鍵無效，無法調整變送器的量程。
當變送器處于調校狀態(tài)時，撥碼開關撥到OFF?？梢詫﹄娐飞系?EEPROM器件進行寫操作。也就是說，可以改變變送器的各項參數(shù)。當 調校結束后，把撥碼開關撥0N位置。這時單片機禁止任何對EEPR0M 的寫操作。這樣，在現(xiàn)場使用中，對智能變送器的各項參數(shù)都起到了 保護作用。
本實用新型所設計硅電容智能變送器，在調校時，應按圖4給出 有順序，參照調校說明書，用硅電容智能變送器調試軟件或手操器進 行調校。
如圖6,在進行實際測量時，可依次按如下步驟實施
(1) 從存儲器中調取數(shù)據(jù)；
(2) 將所采集的數(shù)據(jù)進行A/D轉換；
(3) 進行電流控制；
(4) 將步驟(3)得到的測量結果進行D/A轉換；
(5) 將步驟(4)所得結果進行數(shù)據(jù)輸出。
上述步驟(3)中的電流控制步驟依次包括電流微調、調整放大倍數(shù)及線性化。本實用新型在所述電流控制后可接續(xù)進行軟件溫度補償。
軟件采用C51編程，分為采集、運算、串行傳輸、D/A輸出和Hart 協(xié)議處理程序。其中Hart協(xié)議中斷處理程序框圖見圖7。
當變送器的二線制電流環(huán)路里收到來自Hart協(xié)議其它設備(Hart 調制解調器、Hart手操器)的通信信號時，軟件進入中斷處理程序。 進入中斷后，首先檢查包頭的數(shù)據(jù)特征幀和包尾的校驗碼，如果這些 特征數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤，變送器軟件把包含錯誤信息的應答幀發(fā)送給與之 通信的設備。在特征數(shù)據(jù)正常的情況下，進入下一部的判斷，根據(jù)命 令號選擇進入不同的功能子程序。在各功能子程序中，完成對變送器 的各種參數(shù)的設定。包括日期、傳感量程種類、傳感量程代碼、主 變量單位、主變量報警選擇、溫度補償數(shù)據(jù)、線性化數(shù)據(jù)、標記(6 字節(jié))、描述符(12字節(jié))、信息(24字節(jié))、主變量上限、主變量上限、 阻尼、主變量電流零點、主變量電流量程、傳感器量程上限、傳感器 量程下限、正向量程比、反向量程比等參數(shù)。
同時，除完成對變送器各參數(shù)的設定外，也把智能變送器的測量 結果傳輸給與之通信的設備。
子程序完成相應的功能后，返回一幀應答信號，發(fā)送給與之通信 的設備。然后變送器軟件才從中斷返回到主程序。
權利要求1、一種硅電容智能壓力/差壓變送器，其特征在于，包括硅電容壓力傳感器、時間數(shù)字轉換電路、單片機、存儲器、智能顯示單元、D/A轉換部分及Hart協(xié)議處理電路；所述硅電容壓力傳感器用于將外界壓力變化信號轉換為電容變化值；所述時間數(shù)字轉換電路的輸入端與所述硅電容壓力傳感器的輸出端相接，其對硅電容壓力傳感器進行周期性的充放電并記錄充放電時間，然后將所述充放電時間轉化為數(shù)字信號；所述單片機的信號輸入端接時間數(shù)字轉換電路的信號輸出端；所述單片機的信號輸出端分別接存儲器、智能顯示單元、D/A轉換部分及Hart協(xié)議處理電路的輸入端；所述單片機接收時間數(shù)字轉換電路采集的壓力信號，并對其進行運算處理；所述存儲器用于存儲預設參數(shù)；所述智能顯示單元用于顯示工作信息；所述D/A轉換部分將測量結果轉化為模擬量后控制整個電路部分的電流分配；所述Hart協(xié)議處理電路將輸入的Hart協(xié)議通信信號進行解調并轉換為單片機串口通信信號，再將單片機的串口輸出信號進行相應的調制。
2、 根據(jù)權利要求1所述的硅電容智能壓力/差壓變送器，其特征 在于所述單片機內配有溫度傳感器，以實時測量硅電容壓力傳感器 的溫度。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的硅電容智能壓力/差壓變送器，其 特征在于所述單片機與存儲器、智能顯示單元及時間數(shù)字轉換電路 通過SPI總線進行數(shù)據(jù)交換。
4、 根據(jù)權利要求3所述的硅電容智能壓力/差壓變送器，其特征 在于所述Hart協(xié)議處理電路包括Hart協(xié)議芯片、輸入解調部分及 輸出調制部分；所述輸入解調部分的輸出端接Hart協(xié)議芯片的輸入 端；所述Hart協(xié)議芯片的輸出端接輸出調制部分的輸入端。
專利摘要本實用新型屬壓力/差壓變送器領域，尤其涉及一種硅電容智能壓力/差壓變送器，包括硅電容壓力傳感器、時間數(shù)字轉換電路、單片機、存儲器、智能顯示單元、D/A轉換部分及Hart協(xié)議處理電路；所述時間數(shù)字轉換電路的輸入端與所述硅電容壓力傳感器的輸出端相接；所述單片機的信號輸入端接時間數(shù)字轉換電路的信號輸出端；所述單片機的信號輸出端分別接存儲器、智能顯示單元、D/A轉換部分及Hart協(xié)議處理電路的輸入端；所述單片機內配有溫度傳感器，以實時測量硅電容壓力傳感器的溫度；所述單片機與存儲器、智能顯示單元及時間數(shù)字轉換電路通過SPI總線進行數(shù)據(jù)交換。本實用新型結構簡單，成本低廉，測量信號精確，穩(wěn)定性高。
文檔編號G01L13/06GK201289418SQ20082021882
公開日2009年8月12日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權日2008年10月31日
發(fā)明者方 何, 浩 呼, 王松亭, 峰 袁, 超 馬 申請人:沈陽儀表科學研究院