專利名稱：：壓力數(shù)字化采集前端的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及壓力測量技術(shù)，具體公開一種將電容式壓力傳感器壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化電信號的壓力數(shù)字化采集前端。技術(shù)背景因壓力傳感器的種類繁多，使壓力/差壓變送器種類型號眾多。目前電容式壓力傳感器已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，且電容式壓力傳感器成本較低，但國產(chǎn)基于電容式壓力傳感器的壓力/差壓變送器仍使用模擬信號轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓力/差壓的測量，致使精確度難以進(jìn)一步提高。其它精確度等級較高的壓力/差壓變送器均為進(jìn)口的、基于成本較高的其它種類壓力傳感器的國外產(chǎn)品。為采用電容式壓力傳感器的壓力/差壓變送器提供數(shù)字化的壓力/差壓電信號，從而實(shí)現(xiàn)高精確度壓力測量的技術(shù)目前還尚未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容為了解決國產(chǎn)壓力/差壓變送器精確度等級較進(jìn)口同類產(chǎn)品低的問題，本發(fā)明的目的是提供一種壓力數(shù)字化采集前端，為壓力/差壓變送器提供數(shù)字化的壓力/差壓電信號，使壓力/差壓變送器可采用數(shù)字信號處理技術(shù)以提高測量的精確度等級。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案包括-結(jié)構(gòu)相同的兩組振蕩分頻電路，經(jīng)過接線端子連接電容式壓力傳感器，產(chǎn)生兩路符合精確度等級要求的脈沖信號；-主控電路，接收兩路振蕩分頻電路的輸出信號，測量兩路脈沖寬度及采集前端溫度，通過3.3￥仗8232鏈路經(jīng)過接線端子將數(shù)字化電信號送出；-直流電源，經(jīng)過接線端子接外部電源，為振蕩分頻電路、主控電路提供直流電源。其中所述直流電源電路結(jié)構(gòu)包括第六限流電阻，第一三濾波電容，穩(wěn)壓器組成，來自外部的直流電源經(jīng)接線端子引入，電源負(fù)極經(jīng)接線端子與電源負(fù)極相連，電源正極經(jīng)接線端子連接第六限流電阻，第六限流電阻連接第一濾波電容及穩(wěn)壓器輸入端，穩(wěn)壓器的輸出端接第二三濾波電容后，連接振蕩分頻電路、主控電路的工作電源；所述兩組振蕩分頻電路中的一組經(jīng)接線端子連接壓力傳感器的一側(cè)電容，壓力傳感器另一側(cè)電容經(jīng)接線端子連接另一組振蕩分頻電路，壓力傳感器兩側(cè)電容的公共電極通過接線端子連接電源負(fù)極；每組振蕩分頻電路具體結(jié)構(gòu)為壓力傳感器的電容電極接第一電壓比較器的反相輸入端、及第二電壓比較器的同相輸入端；第一電壓比較器的輸出端連接經(jīng)第四非門接至第三與非門的輸入端，電壓比較器的輸出端連接第三與非門接至二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的時鐘輸入端，限流電阻跨接在第一電壓比較器反相端及第二電壓比較器的同相端節(jié)點(diǎn)與第三與非門輸出端之間；二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸出端分別接至主控電路的微處理器的捕獲端；所述主控電路包括微處理器、測溫電路，其中微處理器存儲控制程序，微處理器的捕獲端接收兩組振蕩分頻電路的脈沖信號；微處理器通過spi口接入溫度傳感器；微處理器的RS232數(shù)據(jù)端經(jīng)接線端子接外板卡；控制程序中的主程序流程為首先開始復(fù)位運(yùn)行，對微處理器內(nèi)各模塊的I/0端口、寄存器、定時器、看門狗、3.3VRS232鏈路進(jìn)行初始化，輸入捕獲端口置成邊沿觸發(fā)方式，定時器置成增計(jì)數(shù)方式；再裝載標(biāo)定參數(shù)，即裝載全溫度段全量程標(biāo)定參數(shù)，且初始化溫度傳感器，設(shè)定工作初始條件，判斷更新溫度時限到否，時限到時讀溫度傳感器并更新溫度值，然后判斷命令楨回答結(jié)東否，時限未到直接進(jìn)入判斷命令楨回答結(jié)東否；命令楨回答沒結(jié)束更新看門狗計(jì)數(shù)值，若命令楨回答結(jié)束進(jìn)入是否為取數(shù)據(jù)命令判斷，是取數(shù)據(jù)命令時組織并發(fā)送數(shù)據(jù)，更新看門狗計(jì)數(shù)值，若不是取數(shù)據(jù)命令則判斷是否寫標(biāo)定參數(shù)命令，不是寫標(biāo)定參數(shù)命令時更新看門狗計(jì)數(shù)值，是寫標(biāo)定參數(shù)命令時存儲標(biāo)定參數(shù)，更新看門狗計(jì)數(shù)值；所述更新看門狗計(jì)數(shù)值后均返回判斷更新溫度時限未到否；控制程序中的輸入捕獲中斷服務(wù)程序流程為采用先進(jìn)先出結(jié)構(gòu)記數(shù)棧，當(dāng)兩側(cè)計(jì)數(shù)各完成一次后壓入記數(shù)棧最新值；具體流程先判斷本次捕獲計(jì)數(shù)是否完整，不完整則進(jìn)入初始化計(jì)數(shù)變量步驟，執(zhí)行中斷返回；完整時將計(jì)數(shù)值壓入相應(yīng)記數(shù)棧，判斷是否兩捕獲端口各完成一次計(jì)數(shù)，為否中斷返回。為是時則移動記數(shù)棧舍陳存新，再執(zhí)行中斷返回；控制程序中的串口接收中斷服務(wù)程序流程為先判斷是否已接收到楨起始字，未接收到楨起始字時，判斷接收的字是否為楨起始字，不是楨起始字執(zhí)行中斷返回，是楨起始字則置楨起始字已接收位，執(zhí)行中斷返回；已接收到楨起始字時將接收到的字送入串口緩沖區(qū)；再判斷按長度要求是否接收滿，為否中斷返回；為是時判斷接收楨通過校驗(yàn)否，沒通過校驗(yàn)置通信楨錯誤位，發(fā)命令回答楨，通過校驗(yàn)時置運(yùn)行狀態(tài)位，再發(fā)命令回答楨，最后執(zhí)行中斷返回。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.具有壓力/差壓信號數(shù)字化輸出的特點(diǎn)。本發(fā)明壓力數(shù)字化采集前端將壓力/差壓信號按約定協(xié)議使用3.3vRS232鏈路送出，為壓力/差壓值的數(shù)字化運(yùn)算提供數(shù)據(jù)。使國產(chǎn)電容式壓力/差壓變送器提高了測量的精確度等級。°2.集成度高、功耗低。本發(fā)明的測頻功能使用微處理器的輸入捕獲功能，測溫功能使用單片集成電路，串口通訊使用的3.3vRS232鏈路同樣集成在微處理器內(nèi)部；整體工作電源為DC3.3v，最大工作電流2.5mA。3.應(yīng)用廣泛、社會效益顯著。在工業(yè)現(xiàn)場，壓力變送器不僅使用在壓力測量中，在流量、液位等其它量值的測量中大部分使用差壓測量來間接實(shí)現(xiàn)。使用本發(fā)明不但可延長電容式壓力傳感器的產(chǎn)品壽命，而且應(yīng)用層面也很廣泛。圖1為本發(fā)明總體的電路結(jié)構(gòu)圖。圖2為圖1中直流電源電路原理圖。圖3為圖1中振蕩分頻電路原理圖。圖4為圖1中主控電路原理圖。圖5為本發(fā)明主控制程序流程圖。圖6為本發(fā)明輸入捕獲中斷服務(wù)程序流程圖。圖7為本發(fā)明串口接收中斷服務(wù)程序流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。壓力數(shù)字化采集前端的結(jié)構(gòu)(參見圖l)包括結(jié)構(gòu)相同的兩組振蕩分頻電路、主控電路、直流電源三部分電路及接線端子；其中直流電源經(jīng)過接線端子接外部電源為數(shù)字化采集前端提供符合要求的直流電源；主控電路使用3.3VRS232鏈路經(jīng)過接線端子可連接其它板卡(如Harrt協(xié)議儀表等)，將數(shù)字化電信號送出；兩組振蕩分頻電路經(jīng)過接線端子連接電容式壓力傳感器，產(chǎn)生兩路符合精確度等級要求的脈沖信號；主控電路測量兩路脈沖寬度及采集前端的溫度通過3.3VRS232鏈路送給與釆集前端具有相同接口協(xié)議的板卡。如圖2所示，所述直流電源電路結(jié)構(gòu)包括第六限流電阻R6，第一、二、三濾波電容C1、C2、C3、，穩(wěn)壓器U6(釆用線性低壓差類型)組成，來自外部的直流電源經(jīng)接線端子B3、B4引入，電源負(fù)極經(jīng)接線端子B4與采集前端電源負(fù)極相連，電源正極經(jīng)接線端子B3連接第六限流電阻R6，第六限流電阻R6連接第一濾波電容Cl及穩(wěn)壓器U6輸入端，穩(wěn)壓器U6的輸出端接第二三濾波電容C2、C3后，連接其它電路的工作電源。如圖1所示，兩組振蕩分頻電路中的第二組振蕩分頻電路使用第三接線端子A3連接壓力傳感器的一側(cè)電容。如圖3所示，壓力傳感器另一側(cè)電容經(jīng)第一接線端子Al連接第一組振蕩分頻電路的Sl點(diǎn)，壓力傳感器兩側(cè)電容的公共電極通過第二接線端子A2連接壓力數(shù)字化釆集前端的電源負(fù)極；每組振蕩分頻電路具體結(jié)構(gòu)為(以第一組為例說明)第一接線端子Al接入的電容電極接第一電壓比較器Ul的反相輸入端、及第二電壓比較器U2的同相輸入端；第一電壓比較器U1的同相輸入端接電壓基準(zhǔn)源VH(為精密電壓基準(zhǔn)源LM285-2.5產(chǎn)生的高電壓基準(zhǔn))，第二電壓比較器U2的反相輸入端接電壓基準(zhǔn)源VL(為兩個大阻值電阻100K與200K，將VH分壓后產(chǎn)生的低電壓基準(zhǔn)源)，第一電壓比較器U1的輸出端連接第四與非門U4的輸入端a,第二電壓比較器U2的輸出端連接第三與非門U3的輸入端b，第三與非門U3的輸入端a連接第四與非門U4的輸出端，第三與非門U3的輸出端連接第一限流電阻R1的一端、第四與非門U4的輸入端b、作為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的分頻器U5的時鐘輸入端，第一限流電阻R1的另一端與第一電壓比較器U1反相端及第二電壓比較器U2的同相端的節(jié)點(diǎn)相連；二進(jìn)制計(jì)數(shù)器U5的四個計(jì)數(shù)輸出端分別接第二五電阻R2、R3、R4、R5的一端；第二五電阻R2、R3、R4、R5的另一端相連接主控電路微處理器U7的捕獲端。圖3中所示第一電壓比較器U1、第二電壓比較器U2、第三與非門U3、第四與非門U4、第一限流電阻R1及接在S1點(diǎn)的傳感器電容組成雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路，隨著壓力傳感器電容的循環(huán)充放電，根據(jù)真值表表1將在S5點(diǎn)即第三與非門U3的輸出端產(chǎn)生與電容充放電周期相同的方波。該方波做為分頻器U5的時鐘源進(jìn)入其CLK輸入端。分頻器U5采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC393,在其Q0、Ql、Q2、Q3端將分別產(chǎn)生二、四、八、十六倍于電容充放周期的脈沖P1，圖中第二五電阻R2R5四只電阻焊接時可根據(jù)需要任選一個以選擇不同的分頻系數(shù)，本發(fā)明中選擇第五電阻R5，為十六分頻。第二組振蕩分頻電路工作原理同于第一組，只輸入端接另一壓力傳感電容，分頻系數(shù)相同，產(chǎn)生的脈沖P2接數(shù)字主控電路的微處理器U7的另一輸入捕獲端。真值表1振蕩分頻電路中雙穩(wěn)態(tài)振蕩電路真值表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>注VS1表示圖3中SI點(diǎn)的電位。參見圖4，主控電路包括微處理器電路U7、測溫電路U8，微處理器U7中集成有3.3￥RS232鏈路。其中微處理器U7存儲控制程序，通過SPI口連接板載溫度傳感器U8。來自兩組振蕩分頻電路的脈沖信號直接接到微處理器U7的輸入捕獲端;測溫電路為帶標(biāo)準(zhǔn)SPI接口的全集成數(shù)字化芯片，通過三根總線直接與微處理器U7相連；微處理器U7中RS232鏈路層的數(shù)據(jù)輸入端與輸出端經(jīng)接線端子B1、B2接外板卡。微處理器U7釆用MSP430F123，將兩組振蕩分頻輸出Pl、P2分別接入其輸入捕獲端l、輸入捕獲端2，并設(shè)置兩捕獲方式為下降沿捕獲，兩次輸入捕獲中斷所獲得的計(jì)數(shù)值之差即為十六個電容充放電周期內(nèi)微處理器的計(jì)數(shù)值，該計(jì)數(shù)值乘以微處理器的振蕩周期即為十六個電容充放電的周期值。當(dāng)壓力/差壓變化時兩電容容量出現(xiàn)趨勢相反的變化，微處理器U7測得的兩計(jì)數(shù)值同樣會出現(xiàn)趨勢相反的變化。測溫電路U8為帶標(biāo)準(zhǔn)SPI接口的全集成數(shù)字化芯片DS1722,微處理器U7每隔2秒鐘從U8讀取一次實(shí)時溫度值。并通過RS232鏈路將計(jì)數(shù)值與溫度值送出。主控制程序中的主程序流程(參見圖5)為首先開始復(fù)位運(yùn)行，對微處理器U7內(nèi)各模塊的I/0端口、寄存器、定時器、3.3VRS232鏈路、看門狗進(jìn)行初始化，輸入捕獲端口置成邊沿觸發(fā)方式，定時器置成增計(jì)數(shù)方式；再初始化測溫電路U8;裝載全溫度段全量程標(biāo)定參數(shù)，且初始化溫度傳感器，設(shè)定工作初始條件，判斷讀溫度時限到否，時限到時讀溫度傳感器并更新溫度值，然后判斷命令楨回答結(jié)東否，時限未到直接進(jìn)入判斷命令楨回答結(jié)束否；楨回答沒結(jié)東更新看門狗計(jì)數(shù)值，若楨回答結(jié)束進(jìn)入是否取數(shù)據(jù)命令判斷，是取數(shù)據(jù)命令時組織并發(fā)送數(shù)據(jù)，更新看門狗計(jì)數(shù)值，若不是取數(shù)據(jù)命令則判斷是否寫標(biāo)定參數(shù)命令，不是寫標(biāo)定參數(shù)命令時更新看門狗計(jì)數(shù)值，是寫標(biāo)定參數(shù)命令時存儲標(biāo)定參數(shù)，更新看門狗計(jì)數(shù)值；所述更新看門狗計(jì)數(shù)值后均返回判斷更新溫度時限未到否。輸入捕獲中斷服務(wù)程序流程(參見圖6)為，記數(shù)棧為先進(jìn)先出(FIFO)結(jié)構(gòu)當(dāng)兩側(cè)計(jì)數(shù)各完成一次后壓入記數(shù)棧最新值；具體流程先判斷本次捕獲計(jì)數(shù)是否完整，不完整則進(jìn)入初始化計(jì)數(shù)變量步驟，執(zhí)行中斷返回；完整時將計(jì)數(shù)值壓入相應(yīng)記數(shù)棧，判斷是否兩捕獲端各完成一次計(jì)數(shù)，為否中斷返回。為是時則移動記數(shù)棧舍陳存新，再執(zhí)行中斷返回。串口接收中斷服務(wù)程序流程為先判斷是否已接收到楨起始字，未接收到楨起始字時，判斷接收的字是否為楨起始字，不是楨起始字執(zhí)行中斷返回，是楨起始字則置楨起始字已接收位，執(zhí)行中斷返回；已接收到楨起始字時將接收到的字送入串口緩沖區(qū)；再判斷按長度要求是否接收滿，為否中斷返回；為是時判斷接收楨通過校驗(yàn)否，沒通過校驗(yàn)置通信楨錯誤位，發(fā)命令回答楨，通過校驗(yàn)時置運(yùn)行狀態(tài)位，再發(fā)命令回答楨，最后執(zhí)行中斷返回。3.3vRS232鏈路工作在主從式半雙工通信方式，當(dāng)外接板卡有取數(shù)據(jù)命令楨時，壓力數(shù)字化采集前端在確認(rèn)接收到的楨正確后組織實(shí)時數(shù)據(jù)發(fā)給外接板卡。權(quán)利要求1.一種壓力數(shù)字化采集前端，其特征在于包括-結(jié)構(gòu)相同的兩組振蕩分頻電路，經(jīng)過接線端子連接電容式壓力傳感器，產(chǎn)生兩路符合精確度等級要求的脈沖信號；-主控電路，接收兩路振蕩分頻電路的輸出信號，測量兩路脈沖寬度及采集前端溫度，通過3.3VRS232鏈路經(jīng)過接線端子將數(shù)字化電信號送出；-直流電源，經(jīng)過接線端子接外部電源，為振蕩分頻電路、主控電路提供直流電源。2.按照權(quán)利要求l所述壓力數(shù)字化釆集前端，其特征在于所述直流電源電路結(jié)構(gòu)包括第六限流電阻(R6)，第一三濾波電容(C1^C3)，穩(wěn)壓器(U6)組成，來自外部的直流電源經(jīng)接線端子引入，電源負(fù)極經(jīng)接線端子與電源負(fù)極相連，電源正極經(jīng)接線端子連接第六限流電阻(R6)，第六限流電阻(R6)連接第一濾波電容(Cl)及穩(wěn)壓器(U6)輸入端，穩(wěn)壓器(U6)的輸出端接第二三濾波電容(C2C3)后，連接振蕩分頻電路、主控電路的工作電源。3.按照權(quán)利要求2所述壓力數(shù)字化采集前端，其特征在于所述穩(wěn)壓器(U6)采用線性低壓差類型。4.按照權(quán)利要求l所述壓力數(shù)字化采集前端，其特征在于所述兩組振蕩分頻電路中的一組經(jīng)接線端子連接壓力傳感器的一側(cè)電容，壓力傳感器另一側(cè)電容經(jīng)接線端子連接另一組振蕩分頻電路，壓力傳感器兩側(cè)電容的公共電極通過接線端子連接電源負(fù)極；每組振蕩分頻電路具體結(jié)構(gòu)為壓力傳感器的電容電極接第一電壓比較器(Ul)的反相輸入端、及第二電壓比較器(U2)的同相輸入端；第一電壓比較器(Ul)的輸出端連接經(jīng)第四非門(U4)接至第三與非門(U3)的輸入端，電壓比較器(U2)的輸出端連接第三與非門(U3)接至二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(U5)的時鐘輸入端，限流電阻(Rl)跨接在第一電壓比較器(Ul)反相端及第二電壓比較器(U2)的同相端節(jié)點(diǎn)與第三與非門(U3)輸出端之間；二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(U5)的計(jì)數(shù)輸出端分別接至主控電路的微處理器(U7)的捕獲端。5.按照權(quán)利要求l所述壓力數(shù)字化采集前端，其特征在于所述主控電路包括微處理器(U7)、測溫電路(U8)，其中微處理器(U7)存儲控制程序，微處理器(U7)的捕獲端接收兩組振蕩分頻電路的脈沖信號；微處理器(U7)通過SPI口接入溫度傳感器；微處理器(U7)的RS232數(shù)據(jù)端經(jīng)接線端子接外板卡。6.按照權(quán)利要求5所述壓力數(shù)字化釆集前端，其特征在于控制程序中的主程序流程為首先開始復(fù)位運(yùn)行，對微處理器內(nèi)各模塊的I/0端口、寄存器、定時器、看門狗、3.3VRS232鏈路進(jìn)行初始化，輸入捕獲端口置成邊沿觸發(fā)方式，定時器置成增計(jì)數(shù)方式；再裝載標(biāo)定參數(shù)，即裝載全溫度段全量程標(biāo)定參數(shù)，且初始化溫度傳感器，設(shè)定工作初始條件，判斷更新溫度時限到否，時限到時讀溫度傳感器并更新溫度值，然后判斷命令楨回答結(jié)東否，時限未到直接進(jìn)入判斷命令楨回答結(jié)東否；命令楨回答沒結(jié)東更新看門狗計(jì)數(shù)值，若命令楨回答結(jié)束進(jìn)入是否為取數(shù)據(jù)命令判斷，是取數(shù)據(jù)命令時組織并發(fā)送數(shù)據(jù)，更新看門狗計(jì)數(shù)值，若不是取數(shù)據(jù)命令則判斷是否寫標(biāo)定參數(shù)命令，不是寫標(biāo)定參數(shù)命令時更新看門狗計(jì)數(shù)值，是寫標(biāo)定參數(shù)命令時存儲標(biāo)定參數(shù)，更新看門狗計(jì)數(shù)值；所述更新看門狗計(jì)數(shù)值后均返回判斷更新溫度時限未到否。7.按照權(quán)利要求5所述壓力數(shù)字化釆集前端，其特征在于控制程序中的輸入捕獲中斷服務(wù)程序流程為釆用先進(jìn)先出結(jié)構(gòu)記數(shù)棧，當(dāng)兩側(cè)計(jì)數(shù)各完成一次后壓入記數(shù)棧最新值；具體流程先判斷本次捕獲計(jì)數(shù)是否完整，不完整則進(jìn)入初始化計(jì)數(shù)變量步驟，執(zhí)行中斷返回；完整時將計(jì)數(shù)值壓入相應(yīng)記數(shù)棧，判斷是否兩捕獲端口各完成一次計(jì)數(shù)，為否中斷返回。為是時則移動記數(shù)棧舍陳存新，再執(zhí)行中斷返回。8.按照權(quán)利要求5所述壓力數(shù)字化釆集前端，其特征在于控制程序中的串口接收中斷服務(wù)程序流程為先判斷是否已接收到楨起始字，未接收到楨起始字時，判斷接收的字是否為楨起始字，不是楨起始字執(zhí)行中斷返回，是楨起始字則置楨起始字已接收位，執(zhí)行中斷返回；已接收到楨起始字時將接收到的字送入串口緩沖區(qū)；再判斷按長度要求是否接收滿，全文摘要本發(fā)明涉及壓力測量技術(shù)，具體公開一種壓力數(shù)字化采集前端，包括結(jié)構(gòu)相同的兩組振蕩分頻電路，經(jīng)過接線端子連接電容式壓力傳感器，產(chǎn)生兩路符合精確度等級要求的脈沖信號；主控電路，接收兩路振蕩分頻電路的輸出信號，測量兩路脈沖寬度及采集前端溫度，通過3.3VRS232鏈路經(jīng)過接線端子將數(shù)字化電信號送出；直流電源，經(jīng)過接線端子接外部電源，為振蕩分頻電路、主控電路提供直流電源。采用本發(fā)明能將電容式壓力傳感器壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化電信號，可為壓力/差壓變送器提供數(shù)字化的壓力/差壓電信號，使壓力/差壓變送器可采用數(shù)字信號處理技術(shù)以提高測量的精確度等級。文檔編號G08C19/16GK101165742SQ20061004805公開日2008年4月23日申請日期2006年10月20日優(yōu)先權(quán)日2006年10月20日發(fā)明者于海斌,躍林,宏王,趙海燕申請人:沈陽中科博微自動化技術(shù)有限公司