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
/ M3 }2 {0 \* ?) h$ |; j0 G6 Z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
$ Z/ C# K% d% C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。
0 C5 G0 z9 a3 [" ]' V! P8 C) [6 u关键词:智能差压变送器:HART协议现场总线:MSP430F149;AD421
( E8 W3 l/ V3 {9 V$ W1电容式差压传感器工作原理及信号转换电路与精度分析
6 s- R4 U5 H. _9 d1.1电容式差压传感器工作原理[1]
: C% J0 @& ?6 P被测介质的两种压力通入高、低两压力室,作用在敏感元
! `) n3 u: j0 j8 s2 A- X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
% J$ e! H( W$ N& u; A+ b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。
* e- X9 s  J2 X1.2 信号转换电路与精度分析
- ~0 Y9 D$ e7 h  v! a7 p  s信号转换电路作用是将由电容差压式传感器输出的压力
: J9 n3 ]4 ?$ Q  k& b6 d# t0 n; ?  Y0 `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。
2 a4 C! _# p0 a5 _/ _8 ?4 ]由于一般的A/D转换器件精度很难达到16位,而高精度
8 Z2 Y/ A) V: X2 b& d8 c7 w* d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。
1 U) L# n$ ?# U# l1 s3 B& H频率采集电路所采用的器件有:555定时器、单稳态触发
器、D触发器、二输入与非门。
1 Q" M! a7 }* G: c(1)多谐振荡器:由5555定时器IMC555CM外接少量元件构
& F( v2 y3 A; G4 P; f% }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
所产生频率向8 kHz变化。
  V( R" R4 ]0 c/ u6 A' B(2) 波形整形电路:由单稳态触发器CD14538BNSR组成，
; ]6 a0 S# `/ B/ |! k: c( i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
9 j3 g7 n4 I2 N6 ZD触发器二分频后，输入MSP430F149 单片机进行差频测
量。
(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
! q. ^+ ]) {& p6 Y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