工業(yè)無線的單晶硅壓力變送器

摘要:在工業(yè)過程自動化現(xiàn)場往往存在布線困難,人員無法到達,電磁干擾強,空間復(fù)雜等特點,尤其是油氣化工行業(yè)，需要一款滿足工業(yè)現(xiàn)場使用的無線精度高壓力變送器對壓力、液位的測量與監(jiān)測,將工業(yè)無線通信技術(shù)與精度高單晶硅壓力測量技術(shù)相結(jié)合,通過24位高精度A/D采樣、線性擬合、溫度補償、濾波算法等流程實現(xiàn)平滑的高精度壓力測量,采用電池供電并考慮工業(yè)現(xiàn)場防爆要求,在滿足工業(yè)現(xiàn)場對低速率、成本敏感、局域覆蓋、數(shù)據(jù)量小、長電池壽命的工業(yè)現(xiàn)場無線局域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控需求的基礎(chǔ)上,開發(fā)一種滿足工業(yè)無線通信標準的精度高壓力變送器。可以提高工業(yè)現(xiàn)場壓力測量的信息化、數(shù)字化管理水平,大幅降低運維成本,工業(yè)無線壓力變送器有廣闊的應(yīng)用前景。
0引言
　　現(xiàn)代工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用加速向信息化、數(shù)字化、高實時性、大數(shù)據(jù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方向快速發(fā)展,工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)各行業(yè)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用需求將會越來越普及。工業(yè)無線技術(shù)有著低成本、效率高、可靠性高、鋪設(shè)便捷等巨大的優(yōu)勢,在工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相對傳統(tǒng)的兩線制、四線制工業(yè)總線傳輸?shù)膲毫ψ兯推鞫裕?a href="http://www.equitytrade.cc/">壓力變送器是以無線通信方式接入可控的局域網(wǎng)絡(luò),結(jié)合PC運行的強大的DCS服務(wù)端數(shù)據(jù)分析和管理軟件,對無線壓力變送器實施無人遠程實時監(jiān)控,工業(yè)無線通信技術(shù)選擇具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、滿足離散工業(yè)現(xiàn)場需求的無線通信網(wǎng)絡(luò)。通信技術(shù)具有高可靠性，高抗干擾能力、較低成本，超低功耗的無線Mesh局域網(wǎng)絡(luò),非常適合離散工業(yè)過程自動化及工廠信息化領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)場[4)，尤其是油氣、化工和罐區(qū)等應(yīng)用場景。
1工業(yè)無線變送器特征
　　離散工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用要求工業(yè)無線變送器采用符合防爆國家標準(GB3836)允許的鋰亞硫酰氯電池供電，測量精度高達滿量程的0.05%/FS,支持通過磁隔離按鍵和通信方式對無線變送器參數(shù)進行設(shè)置,防護等級達到IP67,滿足國家防爆性能,無線網(wǎng)絡(luò)遵循無線通信協(xié)議標準。一個無線網(wǎng)絡(luò)是由無線網(wǎng)關(guān)和多個無線設(shè)備組成,無線網(wǎng)關(guān)支持100個設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的能力,實際應(yīng)用中為了有更好的實時性推薦一個網(wǎng)絡(luò)不超50個設(shè)備,數(shù)個無線局域網(wǎng)絡(luò)可通過以太網(wǎng)、工業(yè)總線、4G/5G通信擴展形成大規(guī)模數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)屬于Mesh網(wǎng)絡(luò),無線設(shè)備同時具有路由跳轉(zhuǎn)功能,通用物理層射頻芯片可以有效控制成本和物料采購,整個網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)--的時間片同步管理,最大化的平衡了休眠和運行占空比，符合電池供電方式的低能耗特點,滿足油氣化工行業(yè)的離散工業(yè)監(jiān)測、工廠數(shù)字化場景應(yīng)用要求的低速率、低成本、局域覆蓋、小數(shù)據(jù)量的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)。
　　無線壓力變送器將采樣的單晶硅壓力傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、線性處理及補償轉(zhuǎn)換為2.4GHz無線信號接人支持標準協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)中,無線網(wǎng)關(guān)負責整個無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點設(shè)備管理和網(wǎng)絡(luò)維護,無線網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)或RS485接口遵循modbus或OPC等工業(yè)應(yīng)用層通信協(xié)議接入當?shù)谼CS系統(tǒng)。
一個工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)主要由以下部分組成:
·無線節(jié)點設(shè)備:工業(yè)無線壓力變送器，安裝在離散工業(yè)現(xiàn)場。
·無線網(wǎng)關(guān):負責無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備管理和響應(yīng)DCS系統(tǒng)或上位機數(shù)據(jù)讀寫請求。
·DCS系統(tǒng)或上位機:上位機是用戶、網(wǎng)絡(luò)管理及維護人員與通信網(wǎng)絡(luò)交互的平臺,用戶可以通過上位機網(wǎng)絡(luò)管理軟件對通信網(wǎng)絡(luò)進行配置及與終端設(shè)備進行數(shù)據(jù)信息交互,工業(yè)現(xiàn)場--般是DCS系統(tǒng)。
2變送器硬件設(shè)計
　　工業(yè)無線變送器硬件設(shè)計要滿足低功耗運行、精度高測量、無線通信和防爆要求。硬件框圖如下。
 
2.1供電電路設(shè)計
　　無線變送器采用電池供電,為了滿足防爆和無線射頻發(fā)射的要求,需要對供電電路采用過流、過壓、功率限制等保護，同時也要滿足射頻信號發(fā)送的最大功率要求[8]。電池采用鋰亞硫酰氯材質(zhì)，標稱3.6V.dc,容量19Ah鋰亞硫酰氯電池,最大開路電壓是3.76V,短路電流是1.86A,內(nèi)阻是2.31Ω,最大峰值電流400mA,可持續(xù)最大輸出230mA電流;無線壓力變送器整機最大電流經(jīng)計算約168mA,電池滿足變送器的供電能力,在電池輸出端并聯(lián)兩個齊納二極管做限壓保護,考慮到保險絲熔斷過程與無線變送器最大發(fā)射電流持續(xù)時間的時間差,串聯(lián)150mA熔斷式保險絲做功率限制,再串聯(lián)5.1Ω/10W的功率電阻做限流保護，可以滿足本設(shè)計的防爆應(yīng)用需求。電源分兩部分分別為儀表主電路和模塊供電,一路由模擬器件搭建恒壓源給變送器主電路供電,保證主板穩(wěn)定運行和傳感器高精度采樣。另一路經(jīng)過MCU控制的PMOS管開關(guān)電路為模塊供電，這樣可以保證電源的低功耗和高效率。
2.2采樣主板電路設(shè)計
　　無線壓力變送器主板電路包括單晶硅壓阻式傳感器、24位高速高精度A/D采集電路、溫度在線補償電路、人機輸人及數(shù)顯電路、EEPROM存儲電路及外部時序監(jiān)控電路。采用激光焊技術(shù)將單晶硅SENSOR晶圓封裝于充滿硅油的金屬膜片中組成了壓力傳感器,施加恒流電流的壓力傳感器橋電路受物理擠壓會產(chǎn)生微弱毫伏電壓變化信號,經(jīng)精度高、低溫漂的放大電路整形、跟隨、放大、濾波、溫度補償、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,將數(shù)字信號通過最小二乘法五階線性擬合和溫度補償計算得到準確的壓力數(shù)據(jù)";人機輸人及數(shù)顯電路提供3個磁隔離按鍵和一個低功耗LCD,通過磁按鍵可進行無線壓力變送器的參數(shù)設(shè)定和工作方式切換,LCD用于顯示被測數(shù)據(jù)、故障信息和工作方式，磁按鍵的功能也可通過無線通信的方式進行設(shè)置。所有器件的選型要兼顧低功耗、性價比高的特點,符合批量生產(chǎn)的要求。
2.3通信模塊通信接口
　　無線通信模塊選用ZANW900，它由符合IEEE802.15.4標準的無線射頻芯片CC2520和超低功耗單片機組成,射頻前端包含了功率放大器PA和低噪聲放大器LNA,發(fā)射功率最大20dbm,接收靈敏度可達一102dbm,在空曠無遮擋的情況下通信距離室外能達到1000米,室內(nèi)可達300米，模塊采用先進的網(wǎng)絡(luò)時間片管理和低能耗管理技術(shù),休眠最小電流約為1μA。無線模塊通過TTL電平的異步串行接口UART與變送器的MCU進行數(shù)據(jù)交互。
3變送器軟件設(shè)計
　　無線壓力變送器軟件運行流程包括采樣與控制(采樣、控制、智能化數(shù)顯按鍵等)、低功耗調(diào)度、通信三大任務(wù)。
 
3.1采樣與控制任務(wù)
　　采樣任務(wù)主要實現(xiàn)對傳感器模擬信號的采集、濾波、處理、算法分析，通過相關(guān)算法實現(xiàn)采集信號的穩(wěn)定準確計算。輸出當前壓力值給控制任務(wù)模塊和LCD數(shù)顯模塊;控制任務(wù)模塊響應(yīng)來自按鍵、無線網(wǎng)絡(luò)、標定上位機的相關(guān)數(shù)據(jù)交換、參數(shù)傳遞,實現(xiàn)對儀表的量程上下限、阻尼濾波，壓力最小測量范圍、零點偏移量及傳.感器上下限的標定和對比;以及網(wǎng)絡(luò)PANID設(shè)、信道、組號表號、數(shù)據(jù)更新率的設(shè)置。
控制任務(wù)主要實現(xiàn)子任務(wù)單元塊的合理分配資源與時間以兼顧高效運行和低能耗特點,同時監(jiān)視整機運行的智能化診斷功能;智能化診斷功能實現(xiàn)壓力、溫度多變量監(jiān)測與補償、過程狀態(tài)監(jiān)測與診斷。軟件內(nèi)存設(shè)置有狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)表和報警信息表,對軟件各單元模塊周期性的巡檢關(guān)鍵測量信號,并與內(nèi)存設(shè)置的狀態(tài)數(shù)據(jù)表相比較,判斷儀器的工作狀態(tài)是否超出邊際，當有異.常狀態(tài)發(fā)生或預(yù)判到可能導致異常發(fā)送時,置位對應(yīng)的報警信息,通過LCD、無線通信的方式發(fā)出診斷異常預(yù)警信息，實時采樣被測壓力變化、傳感器溫度和電路主板溫度,利用最小二乘回歸算法計算出壓力傳感器的五階溫度補償系數(shù),實時連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)匯集到一個數(shù)據(jù)緩沖池中,通過中值濾波和卡爾曼濾波算法確保測量值的正確性和平滑性。
3.2低功耗調(diào)度任務(wù)
　　對于電池供電設(shè)備來說,節(jié)能長壽命是非常重要的指標，所以低功耗調(diào)度任務(wù)需要做到微安級別的功耗控制，平衡工作與休眠模式的高效切換,有效調(diào)配各個電路單元、MCU各外設(shè)資源、軟件子任務(wù)塊時序等在有效的時間內(nèi)完成各自任務(wù)后就進人休眠模式。無線網(wǎng)絡(luò)是采用時間片同步的無線網(wǎng)絡(luò),無線壓力變送器人網(wǎng)后在其固定的時隙工作,在無任務(wù)的時隙中進人休眠模式,休眠時在固定的時間片進行快速網(wǎng)絡(luò)同步,所以在休眠模式下也不會掉線;當無線壓力變送器通信間隔大于10min/次時，可以關(guān)掉通信模塊電源起到最大化降低功耗作用;當要求通信頻率較高時，模塊待機模式喚醒更快且不掉線,因為重新啟動射頻時功放全開搜網(wǎng),人網(wǎng)等待時間受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和信號強度影響電量消耗較大，所以要根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用需求做合理的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機制。
3.3無線通信任務(wù)
　　變送器上電后MCU對通信模塊進行初始化配置，偵聽相同網(wǎng)絡(luò)號、信道的無線網(wǎng)關(guān)廣播幀并申請加人網(wǎng)絡(luò),如加人不成功則休眠30分鐘后再次偵聽,加入無線網(wǎng)絡(luò)成功后,變送器就處于網(wǎng)絡(luò)時鐘同步的時隙工作周期中,這個時隙周期被分成150個時間片,每個時間片被分派給一個無線變送器的通信時隙,無線數(shù)據(jù)發(fā)送間隔是由用戶通過按鍵或通信方式自定義設(shè)置的傳輸間隔決定的，通過低功耗定時器喚醒變送器執(zhí)行采用和無線通信任務(wù),無線通信任務(wù)主要包含兩部分,即用戶數(shù)據(jù)傳輸和用戶數(shù)據(jù)接收,用戶數(shù)據(jù)傳輸是將用戶采集的數(shù)據(jù)打包成通信模塊可識別的HDLC幀格式的數(shù)組,通過串行通信接口傳輸?shù)酵ㄐ拍K,數(shù)據(jù)先加人通信模塊緩沖中，等待通信的時間片到達后以無線電磁波的方式發(fā)送出去,同樣當無線網(wǎng)關(guān)要向通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)或命令時，也是輪到此變送器的時間片到達后再發(fā)送,變送器MCU接收到通信模塊的串行HDLC格式數(shù)據(jù)后,對HDLC幀格式的數(shù)組進行拆包并奇偶校驗,提取出用戶數(shù)據(jù),這就是用戶數(shù)據(jù)接收過程。變送器的工作時間片過后就進人短暫休眠狀態(tài)直到下一個時隙周期到達后喚醒。
4測試驗證
　　工程樣機軟硬件設(shè)計完成后，按照如下測試方法進行精度和網(wǎng)絡(luò)測試驗證。
 
　　待測無線變送器與壓力計和壓力發(fā)生器連接,由壓力計和壓力發(fā)生器提供高精度的壓力被測源,先進行滿量程測量范圍內(nèi)的壓力標定,標定后就可以進行高精度的實際測量。無線網(wǎng)關(guān)上電并通過以太網(wǎng)連接電腦,WIA控制臺組圖軟件從無線網(wǎng)關(guān)讀取到人網(wǎng)的無線變送器數(shù)據(jù)如下圖4,無線變送器符合工業(yè)無線標準協(xié)議。
 
　　經(jīng)過壓力計、無線變送器及WIA控制臺軟件的數(shù)據(jù)進行標定并對比計算,在測試過程中壓力計加壓300kPa測量精度可以達到0.04%,高于0.05%的目標。本無線壓力變送器設(shè)計使用了先進的單晶硅壓力傳感器、高可靠性的電子電路設(shè)計、精密的溫度補償和線性補償，有效保證了產(chǎn)品的精度高、穩(wěn)定性好,可用于液體、氣體壓力和液位的測量。
5結(jié)束語
　　通過采用24位精度高A/D采樣、低溫漂設(shè)計方法結(jié)合二乘法五階線性擬合和濾波算法計算實現(xiàn)了壓力的高精度測量,集成了符合工業(yè)無線標準協(xié)議的通信技術(shù)到壓力變送器;充分考慮了離散工業(yè)現(xiàn)場對低功耗、低速率、局域覆蓋、精度高測量、工業(yè)防潮防爆等要求,從硬件和軟件兩方面展開了描述,該無線變送器設(shè)計可以滿足離散工業(yè)現(xiàn)場對過程壓力測量、液位測量的無線遠程監(jiān)測。