MSP430F149单片机在基于现场总线的智能差压变送器设计中的应用

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摘要:利用MSP430F149单片机和AD421电流环芯片,通过简单的压频转换(多谐振荡器)电路实现了基于电容式差压
传感器的智能差压变送器设计。该设计的特点是利用压频转换电路取代了A/D模块,以极低的产品价格达到了较高的
系统测量精度。采用软件与硬件相结合的信号处理技术,实现了基于HART协议现场总线技术的差压模拟量的测量,通
过进一步采用cpld器件的量化延时测频技术,将可以达到比传统A/D器件更高的压力测量精度。
* G" r2 J3 X# e, n$ K/ s关键词:智能差压变送器:HART协议现场总线:MSP430F149;AD421
1电容式差压传感器工作原理及信号转换电路与精度分析
  r7 r' @! f4 Q7 \. R1.1电容式差压传感器工作原理[1]
被测介质的两种压力通入高、低两压力室,作用在敏感元
4 V6 b. ]- x- s' ]7 U  b件的两侧隔离膜片上,通过隔离膜片和元件内的填充液传送到
测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个
, p5 A2 C  l- P# `, l0 c* [电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移,其位
! R1 d) \- m4 K4 y6 K移量和压力差成正比,故两侧电容量就不等,通过振荡和信号
调理环节,转换成与压力成正比的电信号。
  q" [/ J( l  i+ n, ]. t, c* z3 }( i# d1.2 信号转换电路与精度分析
信号转换电路作用是将由电容差压式传感器输出的压力
信号(电容值△C)转换为周期性方波的频率差信号(△f),通过
硬件电路设计、软件编程,完成差压Ap与频率差Af之间的线
性化,以此来实现压力采集。信号转换电路框图如图1所示。
由于一般的A/D转换器件精度很难达到16位,而高精度
: f* {; y! }  g9 U) A; _( U的AV/D转换器件成本较高,采用数/模混合器件来构成A/D转
3 D. y( n( U) |0 N换和模拟数据的采集。提高系统精度、降低成本。
频率采集电路所采用的器件有:555定时器、单稳态触发
8 G5 {/ u' j/ e5 L7 ^9 S# y, X6 k7 T+ P器、D触发器、二输入与非门。
* ?$ b/ X, v7 L(1)多谐振荡器:由5555定时器IMC555CM外接少量元件构
- U: E: ~9 V, Q  g成多谐振荡器,从而可将压力信号转换为周期性的方波信号。
其输出方波频率为4 kHz左右,当正负压力室的压力由0~ 180
; S; }+ e4 A$ O" H5 j" v2 ikPa变化时,555定时器输出方波频率分别向6 kHz和8 kHz方
* J2 \/ A9 r$ Y" P& d# F向变化。即传感器低压侧所产生频率向6kHz变化,而高压侧
% l  P& H% F8 O9 t所产生频率向8 kHz变化。
1 [) Y. V. G2 y! @  E7 ^* u(2) 波形整形电路:由单稳态触发器CD14538BNSR组成，
作用是将由555定时器构成的多谐振荡器输出的带毛刺方波
% L1 f# v2 z2 F# k  n信号滤去噪声及毛刺，使其成为真正的方波信号后，再经过
2 N7 L9 H0 j/ X6 c+ {6 cD触发器二分频后，输入MSP430F149 单片机进行差频测
量。
' d- F3 S. t9 J( U5 w$ t(3)选择控制电路:由2个二输入与非门SN74AHCOONSR组
成选择电路，作用是在控制信号的作用下周期性地选择两个
6 T0 u1 ~: `$ W& R555定时器工作，使频率采集电路在某一-时间内只有一-路处于
( e1 C7 ]) d& ~- K工作状态。

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采用软件与硬件相结合的信号处理技术,实现了基于HART协议现场总线技术的差压模拟量的测量