摘要：介紹了一種以 MSP430 單片機為核心的智能多參量變送器。 具體闡述了該變送器的工作原理、總體設計、硬件電路設計和軟件設計框圖。該變送器可適用于測量天然氣、過熱和飽和蒸汽、各種液體和各種標準氣體的流量，并且可以和其它設備進行結合，實現工業現場流體測量與控制的智能化和多樣化。

 

    本文介紹用 MSP430F5418A 單片機開發的新型智能多參量變送器。 其工作原理是：以高精度且帶自身溫度補償的電容式差壓傳感器、擴散硅壓力傳感器與高精度熱電偶為測量元件，通過自動測量流體的差壓、壓力、溫度，并通過計算和多種補償，得到并輸出流體的體積流量、質量流量、體積積流、質量積流等。 本變送器采用了數據校正、數字濾波、多輸出形式等技術，使其能更適應各種復雜的工況環境。 

 

    1 總體設計

    1．1 智能多參量變送器總體功能設計

    智能多參量變送器組成框圖如圖 1 所示，此變送器共有四種輸入量，分別為 DS18B20 溫度單總線信號輸入（用于補償電容式差壓傳器）、 電容式差壓傳感器的信號輸入、PT1000 熱電阻模擬量輸入以及擴散硅壓力傳感器的模擬量輸入。 變送器輸出量為4～20mA 模擬量，通信采用兩線 HART 通信協議，即在 4～20mA的模擬信號上疊加 FSK（Frequency Shift Keying，頻移鍵控）數字信號，在 2 線供電回路上可以兼容模擬和數字 2 種信號。

 

 

 

    該變送器采用 LCD 方式進行數據顯示，LCD 為字段顯示（如圖 2）， 采用 8com 動態顯示，以合泰 HT1622 作為驅動芯片。主顯示區為 8 位 8 段，字高約 10mm。輔助顯示區為 6 位 8 段，字高約為 6～8mm。多參量變送器的各項流量測量的參數設定主要是通過手持式 HART 通信儀或上位機來設定；同時也可以通過干簧管或紅外遙控來修改設定。

 

 

 

    1．2 總體特點

    1）超低功耗。 傳感器調理電路及主板處理電路均選用超低功耗元器件，使得整機達到低功耗狀態。 完全能滿足儀表的各項參數測量與儀表的認證。 

 

    2）測量誤差自動修正。 在此多參量變送器中，對三個傳感器都有進行補償與校準，使得測量更加的準確。 在流量測量當中，通過熱電阻 PT1000 進行溫度測量，再進行軟件的補償修正，可以大大提高變送器的數據準確及自適應能力。 

 

    3）多參量測量。 可以同時對多個參量進行測量，通過在軟件當中增加多種數字濾波方法， 以將工況現場中對流量測量的干擾降到非常低。 

 

    4）模擬量輸出及總線通信。 可以輸出工業現場通用的 4～20mA模擬量信號， 同時也可以通過使用 HART 通信協議與其他智能設備與儀器組成大規模的流量測量與控制系統。 

 

    2 硬件設計

    2．1 MCU 選型

    通過對變送器所開發的功能及所需芯片片內資源進行深入研究后，非常終選用TI公司的MSP430F5418A為此變送器 的MCU。MSP430F5418A 芯片是 TI 公司推出的一個強大的16 位RISC CPU，具有超低功耗微、存儲空間大、集成度高等優點。MSP430F5418A 微控制器的片內資源十分豐富，具有 16KB字節的SRAM，128K 字節的 FLASH，67 個 I ／ O 引腳，三個 16 位定時器，一個高性能的 12 位模擬／數字轉換器（ADC），多達四個通用串行通信接口（USCI），一個硬件乘法器等。MSP430F5418A 除正常工作模式外，還有多達 5 種的低功耗模式設置，通過不同設定來讓其工作時的功耗達到非常低。

 

    2．2 信號調理電路設計

    差壓傳感器使用的為上海自動化儀器公司生產的一款性能穩定，精度高的金屬電容差壓式傳感器，差壓傳感器調理電路使用的電源來自于 4～20mA 環路當中，因此該調理電路的功耗可以滿足在回路當中 4mA 以下可正常工作的要求，同時電路須要采用隔離措施，將傳感器調理電路與主板電路進行隔離，以提高穩定及抗干擾性能。 差壓調理電路如圖 3 所示，主要原理：通過CPU 輸出一個標準的周期信號來對差壓傳感器 H 端與 L 端的測量選擇，根據電容的充放電轉換，將電容信號轉變為頻率信號 f，頻率信號 f 經過隔離芯片傳送到主芯片當中，MCU 通過高精度計數器精確統計出脈沖個數，后可得出精準頻率。 再通過頻率與差壓之間的關系準確地測量出差壓值。

 

 

 

    溫度與壓力測量調理電路如圖 4 所示，PT1000 熱電阻與擴散硅壓力傳感器的信號采集方式是一致的， 是通過 ADI 公司的AD7794 芯片來處理完成。AD7794 是一款具有 6 通道、低噪聲、低功耗、24 位 Σ－Δ 型的 ADC 芯片。 PT1000 熱電阻與壓力傳感器均是由芯片內部輸出 1mA 精密恒流源來作為激勵，測量的基準電壓是從一個與之串聯的高精密低溫漂的 1kΩ 電阻上獲得，通過比率式測量，使得恒流源的波動對測量沒有影響。

 

 

    2．3 4～20mA 模擬量輸出及 HART 通信電路設計

    4～20mA 作為測量結果的模擬量輸出是通過 AD421 接收MSP430 傳送的數字信號來轉換得到。 HART 通信電路主要由現 MSP430、A5191HRT和 AD421組成。 A5191HRT 接收疊加在 4mA～20mA 環路上的 FSK 信號，解調后傳輸給 MCU 或將MCU 產生的應答幀信息調制成 FSK 信號經波形整形器后由AD421 疊加在 4～20mA 環路上發送出去。圖 5 中，A5191HRT與 MCU 的接口信號包括載波檢測 OCD、 解調輸出 ORXD、調制輸入 ITXD、請求發送 INRTS。 HART 調制解調器的時鐘信號來源于 MSP430 內部分頻出來的 460．8kHz 頻率信號。

 

 

    2．4 LCD 數據顯示電路設計

    因MSP430F5418A 芯片不存在 LCD 驅動模塊，非常終選用臺灣合泰HT1622作為LCD的驅動芯片。HT1622 為 256 段（32x8）內置存儲器的多功能 LCD 驅動器，支持串行通信，蜂鳴器，看門定時器或時基定時器功能。與 MCU 的通信線其只需要3 根，非常的簡單。同時它內部包含省電指令，通過設定可以有效降低芯片功耗。

 

    3 軟件設計

    多參量變送器的主程序流程圖如 圖 6 所 示。 首先初始化各個參數，進入測量計算周期后，先讀取差壓，壓力及 PT1000 傳感器測量數據，后判定測量的數據正常與否，當數據正常后，進行數據處理與補 償， 而后計算多種流量參數并進行LCD 顯示和數據輸出與HART 通信。

 

 

    本多參量多變器已經在工業現場進行運用， 通過與上位機的通訊，實現了多種類型流體的測量，并在 HART 總線協議下，與現場 20 臺各類變送器與控制器實現了流量計量與控制系統的集成。