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
2 Q5 h( P% L9 M% @2 \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。
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
1.1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
* A; M* h$ E/ q  N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
; Y+ W- H$ W9 Q5 `( C; Z电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移,其位
" u. V$ n2 N) |$ e6 }( o6 s: Y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
5 V% j4 ~, Q4 y: J( Z# F2 @调理环节,转换成与压力成正比的电信号。
: y4 m% ^- H- |& J1.2 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
% {4 f' f" h8 G% T. }& T: l9 Y信号(电容值△C)转换为周期性方波的频率差信号(△f),通过
7 s- u4 [( K  F" ]8 [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。
+ F) J$ _' U0 X8 V8 f. K  ^+ q6 k由于一般的A/D转换器件精度很难达到16位,而高精度
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
换和模拟数据的采集。提高系统精度、降低成本。
% w6 g. _$ X: \9 A! b' @7 j: |频率采集电路所采用的器件有:555定时器、单稳态触发
% ~, f; l* [: W& b4 \# A8 p器、D触发器、二输入与非门。
. L8 D6 f; C) p4 U' m(1)多谐振荡器:由5555定时器IMC555CM外接少量元件构
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。
+ `' H$ N1 b# D! E3 m, p其输出方波频率为4 kHz左右,当正负压力室的压力由0~ 180
kPa变化时,555定时器输出方波频率分别向6 kHz和8 kHz方
1 K2 f8 ]$ G: F0 b向变化。即传感器低压侧所产生频率向6kHz变化,而高压侧
6 g6 b( M5 z: f  O3 N: x所产生频率向8 kHz变化。
(2) 波形整形电路:由单稳态触发器CD14538BNSR组成，
6 P" I( S8 G/ X. ~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
信号滤去噪声及毛刺，使其成为真正的方波信号后，再经过
/ _$ I4 t0 H/ F% N2 H' @. Q9 `0 BD触发器二分频后，输入MSP430F149 单片机进行差频测
# z9 G6 E: T) \: k( R8 [" M量。
(3)选择控制电路:由2个二输入与非门SN74AHCOONSR组
6 b8 X% O8 K2 \0 k( n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
555定时器工作，使频率采集电路在某一-时间内只有一-路处于
  N7 t2 R% s6 D% L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