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。
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]
0 B9 J. [; |' `被测介质的两种压力通入高、低两压力室,作用在敏感元
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
% Y, E1 b* O: ]1 k, w$ b) N5 X, y. T4 X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
电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移,其位
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。
3 S. ^: ^, e& H' s& ?1.2 信号转换电路与精度分析
* l2 \  |5 `: G  R- n0 D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
, h" {/ F$ E1 S+ I* h- J' `性化,以此来实现压力采集。信号转换电路框图如图1所示。
' [! A4 r& B2 E& S$ @) b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
2 s( F/ f0 p$ H: ]  G2 V* z6 t换和模拟数据的采集。提高系统精度、降低成本。
8 W8 N7 d5 L) K# g9 W& Q频率采集电路所采用的器件有:555定时器、单稳态触发
& t! p  x# o+ E器、D触发器、二输入与非门。
(1)多谐振荡器:由5555定时器IMC555CM外接少量元件构
) _3 Y. U1 a  y+ S  `' h1 ~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
kPa变化时,555定时器输出方波频率分别向6 kHz和8 kHz方
向变化。即传感器低压侧所产生频率向6kHz变化,而高压侧
  ?. M4 a" v2 c8 a+ S2 N& l所产生频率向8 kHz变化。
  i! A9 u1 V* g8 z5 d(2) 波形整形电路:由单稳态触发器CD14538BNSR组成，
  G& D/ _$ [4 G  e. W' R3 e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
/ ~4 S# i$ b9 ~- t% R/ s信号滤去噪声及毛刺，使其成为真正的方波信号后，再经过
" v4 w7 V) o6 sD触发器二分频后，输入MSP430F149 单片机进行差频测
量。
8 `. ?+ S: o0 {(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
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
! d) y2 L) Q* I. }工作状态。
* Y4 i' c2 w, Z4 Z! J: O! c
& d1 |6 f* j; i附件下载：

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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