基于網(wǎng)絡(luò)的智能精密壓力傳感器原理與應(yīng)用

最近，美國霍尼威爾(Honeywell)公司先后推出了PPT系列、PPTR系列和PPTE系列可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的智能精密壓力傳感器。這些傳感器將壓敏電阻傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲器(RAM、E 2PROM)和接口電路集于一身，不僅達(dá)到了高性能指標(biāo)，還極大地方便了用戶。這些產(chǎn)品可廣泛用于工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、自動控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

2 PPT、PPTR系列壓力傳感器

的性能(1)PPT系列傳感器采用鋼膜片，帶RS-232 接口，傳感器距離不超過18m，適合測量快速變化或緩慢變化的各種不易燃、無腐蝕性氣體或液體的壓力(即表壓)、壓差及絕對壓力，測量精度高達(dá)±0.05％(滿量程時的典型值)，而過去的集成壓力變送器最高只能達(dá)到±0.1％的精度。PPTR系列產(chǎn)品帶RS-485接口，傳輸距離可達(dá)幾千米，它采用不銹鋼膜片，能測量具有腐蝕性的液體或氣體，測量精度為±0.1％。

(2)它屬于網(wǎng)絡(luò)傳感器。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)時能確定每個傳感器的全局地址、組地址和設(shè)備識別號ID地址，能實(shí)現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和資源共享，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)獲取任何一個傳感器的數(shù)據(jù)并對該傳感器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，所設(shè)定的參數(shù)就保存在E2PROM中。

(3)能輸出經(jīng)過校準(zhǔn)后的壓力數(shù)字量和模擬量，它既是一個精密數(shù)字壓力傳感器，又是一個模擬式標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器，模擬輸出電壓在0～5V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，可作為標(biāo)準(zhǔn)壓力信號源來使用。用戶不用主機(jī)即可獲得模擬輸出。

(4)可通過接口電路與PC機(jī)進(jìn)行串行通信，一臺PC機(jī)最多可掛接89個傳感器。串行通信時有7種波特率可供選擇，最高達(dá)28800bit/s。上電后默認(rèn)的波特率為9600bit/s。數(shù)字格式為1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位。

(5)有12種壓力單位可供選擇，包括國際單位制Pa(帕)、非國際單位制P0(大氣壓)、bar (巴)、mmHg(毫米汞柱)等，基本壓力電位是psi(磅／平方英寸)。量程從1psi到500psi(即 6.8946kPa～3.4473MPa)，總共有10種規(guī)格。

(6)利用內(nèi)部的集成溫度傳感器來檢測傳感器溫度并對壓力進(jìn)行補(bǔ)償。測溫誤差小于0.5℃。

(7)電源電壓的范圍是5.5～30V，工作電流為15～30mA，工作溫度范圍是－40～＋85℃。

3 工作原理

3.1 引腳功能
PPT、PPTR系列智能壓力傳感器的外形尺寸均為24.8mm×62.2mm。它有兩個壓力口P1和P2，以PPT系列為例，P1口適合接不易燃、無腐蝕性的液體或氣體，P2口只能接氣體。6芯插座上的第1腳為RS-232接口的正端，第2腳為負(fù)端。第3腳為外殼接地端(GND)，第4腳為直流電源輸入端(U S)，第6腳為模擬電壓輸出端(UO )。PPTR系列插座上的A～F依次對應(yīng)于1～6腳，區(qū)別僅是A、B腳分別為RS－485接口的正端、負(fù)端。為了降低噪聲，做模擬輸出時需要單點(diǎn)接地，應(yīng)將電源地、測量儀表(如數(shù)字電壓表)的參考地，直接連傳感器的信號地。

3.2 工作原理
PPT智能壓力傳感器的內(nèi)部框圖如圖1所示。主要包括8部分：①壓力傳感器；②溫度傳感器；③16位A/D轉(zhuǎn)換器；④微處理器(umP)和隨機(jī)存取存儲器(RAM)；⑤電擦寫只讀存儲器(E2PROM)；⑥RS-232(或RS-485)串行接口； ⑦12位D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)；⑧電壓調(diào)節(jié)器。下文中除具體說明系列號以外，所有PPT、PPTR系列均用PPT表示，并簡稱為PPT單元。

PPT單元的核心部件是一個硅壓阻性傳感器，內(nèi)含對壓力和溫度敏感的元件。代表溫度和壓力的數(shù)字信號送至 mP中進(jìn)行處理，可在-40～＋85℃范圍內(nèi)獲得經(jīng)過溫度補(bǔ)償和壓力校準(zhǔn)后的輸出。輸出形式見表1。在測量快速變化的壓力時，可選擇跟蹤輸入模式，預(yù)先設(shè)定好采樣速率的閾值，當(dāng)被測壓力在閾值范圍內(nèi)波動時，采樣速率就自動提高一倍。一旦壓力趨于穩(wěn)定，又恢復(fù)正常采樣速率。 PPT還具有空閑計數(shù)功能，在測量穩(wěn)定或緩慢變化的壓力時，可自動跳過255個中間讀數(shù)，延長兩次輸出的時間間隔。此外，它還可設(shè)定成僅當(dāng)壓力超過規(guī)定值時才輸出或者等主機(jī)查詢時才輸出的工作模式。為適應(yīng)不同環(huán)境，提高PPT的抗干擾能力，A/D轉(zhuǎn)化器的積分時間可在8ms～10s范圍內(nèi)設(shè)定。

PPT能提供三級尋址方式。最低級尋址方式是設(shè)備識別號ID。該地址級別允許對任何單個的PPT進(jìn)行地址分配，ID的分配范圍是01～89。00為空地址，專用于未指定地址的PPT。因此，一臺主機(jī)最多可以配89個PPT。若某只PPT未被分配ID地址(或ID未被存入E 2PROM中)，上電后就分配為空地址。第二級尋址方式為組地址，地址范圍是90～98，共9組。通過ID指令，每個PPT都可以分配到一個組地址，允許主機(jī)將指令傳給具有相同組地址的幾個PPT。組地址的默認(rèn)值為90。最高級尋址方式為全局地址，該地址為99。主機(jī)通過串行口可連接9組總共89個PPT。

4智能壓力傳感器的應(yīng)用

4.1 PPT模擬輸出的配置
單獨(dú)使用一個PPT，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬式壓力傳感器。其最大優(yōu)點(diǎn)是不需要校準(zhǔn)即可達(dá)到高精度指標(biāo)。PPT模擬輸出與測量儀表的接線如圖2所示。用戶既可通過數(shù)字電壓表(DVM)讀取壓力的精確值，亦可利用模擬式電壓表(V)來觀察壓力的變化過程及變化趨勢。對PPT進(jìn)行設(shè)置后，它還能在傳送壓力數(shù)據(jù)的同時，接收來自控制處理器的閥門控制信號，以實(shí)現(xiàn)壓力自動調(diào)節(jié)，這對于壓力測控系統(tǒng)非常有用。閥門控制數(shù)據(jù)可以和壓力數(shù)據(jù)無關(guān)。

4.2 遠(yuǎn)程模擬壓力信號的傳輸與記錄
PPT的模擬信號可直接送給記錄儀來記錄壓力波形，但在遠(yuǎn)距離傳輸模擬信號時很容易受線路干擾及環(huán)境噪聲的影響，還會造成信號衰減。為解決上述問題，可按圖3所示，在終端增加一個PPT。首先由PPT1發(fā)送壓力數(shù)據(jù)，然后遠(yuǎn)程傳輸給 PPT2，再將PPT2的模擬輸出接記錄儀。這種方法適用于RS-485接口，傳輸距離可達(dá)數(shù)千米。若采用帶RS-232接口的PPT系列傳感器，需增加驅(qū)動器和中繼器。該方案的另一優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率快，當(dāng)波特率選28800bit/s時，數(shù)據(jù)傳輸所造成的延遲時間不超過2ms。

4.3 PPT與主機(jī)的接線
PPT與主機(jī)的接線如圖4所示。圖中的D9、D25 分別代表主機(jī)上的9針和25針插座。

4.4 RS-485多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
RS-485網(wǎng)絡(luò)是以主機(jī)為起點(diǎn)、以距主機(jī)最遠(yuǎn)端為終點(diǎn)，它采用多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，亦稱星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)不僅傳輸距離遠(yuǎn)，而且在不斷開網(wǎng)絡(luò)的情況下即可增、減PPT的數(shù)目。RS-485最多只能連接32個PPT單元，利用中繼器可擴(kuò)展到89個 PPT單元。在RS-485的始端與末端，需分別并聯(lián)一只120Ω的電阻作匹配負(fù)載。

具有6個PPT單元的RS-485多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。在該網(wǎng)絡(luò)中，各PPT單元的ID地址可以不按照順序排列。下面通過一個例子來介紹傳輸全局地址及分配組地址的過程：

(1)首先傳送全局指令*99WE和*99S＝00001234，這將使ID號為＃00001234的PPT單元在下一條指令之前指定自己的ID號，并做好接受新指令的準(zhǔn)備。然后傳送*99WE，*99ID＝02， *02WE和*02SP＝ALL指令，完成設(shè)備ID的地址分配。只要在RS-485網(wǎng)絡(luò)上重復(fù)上述過程，即可完成ID地址的分配工作；

(2)分配組地址：一旦設(shè)置好設(shè)備的ID，即可進(jìn)行組ID的分配。同一組中的每個PPT單元必須有一個始于01的子地址。子地址將告知每一個 PPT單元在組地址指令中的響應(yīng)順序。若要設(shè)置設(shè)備ID＝02的組地址為91，子地址01，可傳送下述命令：*02WE，*02ID＝9101，*02WE，*02SP＝ALL。當(dāng)?shù)谝粭l指令傳送到第91組時，ID＝02 的單元就會第一個做出響應(yīng)。