基于M－BUS總線的智能氣壓傳感器的設(shè)計

基于m－bus總線的智能氣壓傳感器利用高精度氣壓傳感器、24位a/d轉(zhuǎn)換器ad7714、低功耗單片機(jī)p89lpc932完成對絕對氣壓的測量，并通過m－bus總線向上位機(jī)傳送測量結(jié)果。目前該儀器已在礦井風(fēng)壓自動監(jiān)測報警系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

煤層自然的必要條件之一是連續(xù)供氧（即漏風(fēng)），而漏風(fēng)與風(fēng)壓有著密切的關(guān)系，故風(fēng)壓是防治煤層自燃的重要參數(shù)，但目前一般由人工測量，需要大量的人力，且資料整理工作量大，測定值管理滯后，不能為日常的管理及時提供所需要的技術(shù)參數(shù)，影響了煤層自燃的防治和通防管理的科學(xué)化。礦井風(fēng)壓自動監(jiān)測報警系統(tǒng)可對自燃區(qū)域的風(fēng)壓實現(xiàn)連續(xù)自動檢測，在出現(xiàn)異常時立即報警。

如圖1所示，各智能傳感器和通信分站組成m－bus總線網(wǎng)絡(luò)，通信分站通過發(fā)送不同的地址依次控制各智能傳感器執(zhí)行測量工作，并讀取和存儲其測量數(shù)據(jù)；各通信分站與監(jiān)控計算機(jī)組成rs－485總線網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控計算機(jī)通過發(fā)送不同的地址依次選通各通信分站，并讀取其存儲的測量數(shù)據(jù)；監(jiān)控計算機(jī)兼作web服務(wù)器，可實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享。系統(tǒng)中的核心部分是智能氣壓傳感器，它可測量氣體的絕對壓力和溫度，通過二者及智能風(fēng)速傳感器測得的風(fēng)速即可推算風(fēng)壓。

硬件設(shè)計

供電方式

為減少供電電源的數(shù)量、降低費用、方便維護(hù)，各智能傳感器采用總線供電方式。因總線電阻會帶來壓降，當(dāng)總線過長或智能傳感器過多時，總線末端的智能傳感器將供電不足，為此，各智能傳感器采用分時上電工作方式，即每一時刻只有一臺智能傳感器上電工作，而其余智能傳感器處于低功耗的空閑等待狀態(tài)。在空閑等待狀態(tài)下，只有微功耗穩(wěn)壓器ht7150a（u1）、ht7130a（u2）和低功耗單片機(jī)p89lpc932上電，耗電僅300μa。

p89lpc932是philips公司推出的一款微控制器，其指令執(zhí)行速度6倍于標(biāo)準(zhǔn)80c51器件。它集成了許多系統(tǒng)級的功能，如看門狗電路、eeprom、a/d轉(zhuǎn)換器、d/a轉(zhuǎn)換器等，特別是集成了cpu時鐘修改寄存器divm，通過設(shè)置divm可以降低cpu的工作頻率，大大降低功耗，本儀器中采用降低cpu工作頻率，進(jìn)入空閑方式、關(guān)閉外圍電路（串口除外）等措施保證了空閑等待狀態(tài)下的低功耗。另外，p89lpc932還具有地址自動識別電路，在多機(jī)通信方式下，允許uart使用硬件比較，從串行數(shù)據(jù)流中識別出特定的地址，這樣就不必花費大量的軟件資源去檢查每一個從串口輸入的串行地址，只有當(dāng)通信分站發(fā)送的地址與智能傳感器的地址相符時，智能傳感器才從低功耗的空閑等待狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，將p0.0置為高電平，q3、q2導(dǎo)通，絕對氣壓傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器ad7714上電，執(zhí)行一次測量，并將測量結(jié)果發(fā)送給通信分站，然后重新進(jìn)入空閑等待狀態(tài)。通信分站接收并存儲測量結(jié)果后，再發(fā)送其他地址，選通別的智能傳感器，……，不斷循環(huán)。

整流橋d3既可實現(xiàn)供電端（1、2）的無極性連接，又可減少電路儲能對供電線的影響，符合本安儀表的設(shè)計要求。供電電源為隔爆兼本安型，具有雙重過壓、過流保護(hù)功能，對負(fù)載的等效電感、等效電容也有一定的限制，因此要增加總線上智能傳感器的數(shù)量，必須限制每臺智能傳感器的等效輸入電容、即c5要小。但c5作為電源濾波電容，必須保證p89lpc932可靠工作，所以電容值不能太小。在選取c5的電容值后，通過采用電阻r1來減小等效輸入電容，當(dāng)p89lpc932從空閑狀態(tài)喚醒后，cpu工作頻率被調(diào)高，功耗增加，r1的壓降增大，引起u1、u2供電電壓不足，所以將穩(wěn)壓器78l08的輸出電壓經(jīng)d2提供給u2。

采集電路

絕對氣壓傳感器采用美國smi公司的全溫度補(bǔ)償oem壓力傳感器5501－030，內(nèi)部為一惠斯登電橋，需恒流供電，為使儀器能分辨到pa，a/d轉(zhuǎn)換器選用美國ad公司的24位σ－δ式a/d轉(zhuǎn)換器ad7714，它內(nèi)含1個程控放大器和3個全差分輸入通道，具有自校準(zhǔn)，系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，雖然ad7714的轉(zhuǎn)換精度極高，但受限于恒流源u6、電壓基準(zhǔn)d6，程控放大器增益的精度，因此采用了圖2所示的測量電路，因全差分輸入通道2（ain3與ain4）和3（ain5與ain6）的輸入阻抗極高，吸收電流可忽略，所以，流經(jīng)絕對氣壓傳感器和精密電阻r9的電流均等于恒流源u2的電流i。每次測量都對通道2、3各執(zhí)行一次自校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換，因兩次轉(zhuǎn)換相隔時間很短，所以恒流i、基準(zhǔn)電壓vref、程控放大器增益e均不會發(fā)生變化，兩通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果分別為：

d2＝k×i×e/（vref/224）,

k為絕對氣壓傳感器的系數(shù)，

d3＝r9×i×e/（vref/224）

將以上兩式相除得：d2/d3＝k/r9。因在某氣壓p下k是恒定的，同時r9又是維持不變的（溫度系數(shù)小于5ppm），故在該氣壓p下的d2/d3也是不變的，與恒流i、基準(zhǔn)電壓vref、程控放大器增益e無關(guān)。通過標(biāo)定，可建立氣壓p與r9×d2/d3一一對應(yīng)關(guān)系。實測時，先得到r9×d2/d3，再查表計算氣壓p。

通信電路

智能傳感器和通信分站組成m－bus總線網(wǎng)絡(luò)，智能傳感器作為從機(jī)、將測量結(jié)果傳送給通信分站，再由通信分站遠(yuǎn)傳給監(jiān)控計算機(jī)。m－bus總線是一種用于遠(yuǎn)程儀表讀取數(shù)據(jù)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，它有如下特點：兩線制總線，不分正負(fù)極性，施工簡單；采用獨特的電平特征傳輸數(shù)字信號，抗干擾能力強(qiáng)；總線可以為每一通信節(jié)點提供3.3v/3ma的穩(wěn)壓電源，為儀表提供兩種供電方式；可采用任意總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)組網(wǎng)成本低、擴(kuò)展靈活，總線采用12－42v電源供電，具有本質(zhì)安全的防爆特性；專門設(shè)計的報文格式，滿足能耗計量表聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程讀數(shù)需要；通信過程完全由主機(jī)控制，任一通信節(jié)點故障不影響整個總線，m－bus總線的上述特點很好地滿足了本系統(tǒng)測點分散，智能傳感器分布范圍較廣，工作環(huán)境惡劣，井下設(shè)備防爆等要求。

m－bus總線系統(tǒng)中，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時采用的是改變總線電壓而總線電流保持不變的電壓調(diào)制方式；從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時采用的是總線電流調(diào)制，而總線電壓保持不變，從機(jī)接口采用專用芯片tss721a，主機(jī)接口無產(chǎn)品，故自行設(shè)計，并已申請國家專利，tss721a具有動態(tài)電平辨識機(jī)制，可檢測總線電壓變化，并從tx端輸出，從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)從rx端輸入，rx為高電平時總線電流維持不變；rx為低電平時，總線增加一固定電流。

當(dāng)智能傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)時，tss721a的需要的工作電流增加，將p1.6置為高電平，q1、光耦nec2501－1導(dǎo)通，tss721a的電流調(diào)節(jié)輸入端ridd經(jīng)過電阻r5接地，可達(dá)到此目的，空閑狀態(tài)時，p1.6位低電平，q1、光耦nec2501－1截止，tss721a電流調(diào)節(jié)輸入端ridd經(jīng)過r5和r6的電阻接地得到的從機(jī)電流減小，從而減少功耗，為防止單片機(jī)與通信電路相互干擾，采用光耦6n139將二者隔離。

軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計內(nèi)容包括主程序、串口中斷服務(wù)子程序、氣壓測量子程序、溫度測量子程序等。主程序流程圖如圖3所示。