基于M－BUS總線的智能氣壓傳感器的設(shè)計(jì)

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(duì)絕對(duì)氣壓的測(cè)量，并通過m－bus總線向上位機(jī)傳送測(cè)量結(jié)果。目前該儀器已在礦井風(fēng)壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)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(cè)量，需要大量的人力，且資料整理工作量大，測(cè)定值管理滯后，不能為日常的管理及時(shí)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(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)可對(duì)自燃區(qū)域的風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，在出現(xiàn)異常時(shí)立即報(bào)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(cè)量工作，并讀取和存儲(chǔ)其測(cè)量數(shù)據(jù)；各通信分站與監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成rs－485總線網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控計(jì)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(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù)；監(jiān)控計(jì)算機(jī)兼作web服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)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(cè)量氣體的絕對(duì)壓力和溫度，通過二者及智能風(fēng)速傳感器測(cè)得的風(fēng)速即可推算風(fēng)壓。

硬件設(shè)計(jì)

供電方式

為減少供電電源的數(shù)量、降低費(fèi)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(huì)帶來壓降，當(dāng)總線過長或智能傳感器過多時(shí)，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(shí)上電工作方式，即每一時(shí)刻只有一臺(tái)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(jí)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(shí)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(dòng)識(shí)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(shí)別出特定的地址，這樣就不必花費(fèi)大量的軟件資源去檢查每一個(gè)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(shí)，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(duì)氣壓傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器ad7714上電，執(zhí)行一次測(cè)量，并將測(cè)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(chǔ)測(cè)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(shí)現(xiàn)供電端（1、2）的無極性連接，又可減少電路儲(chǔ)能對(duì)供電線的影響，符合本安儀表的設(shè)計(jì)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(duì)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(tái)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(duì)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(gè)程控放大器和3個(gè)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(cè)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(duì)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(cè)量都對(duì)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(shí)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(huì)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(duì)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(shí)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(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)測(cè)時(shí)，先得到r9×d2/d3，再查表計(jì)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(cè)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(jì)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(diǎn)：兩線制總線，不分正負(fù)極性，施工簡單；采用獨(dú)特的電平特征傳輸數(shù)字信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)；總線可以為每一通信節(jié)點(diǎn)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(jì)的報(bào)文格式，滿足能耗計(jì)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(diǎn)故障不影響整個(gè)總線，m－bus總線的上述特點(diǎn)很好地滿足了本系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)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(shí)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(shí)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(jì)，并已申請(qǐng)國家專利，tss721a具有動(dòng)態(tài)電平辨識(shí)機(jī)制，可檢測(cè)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(shí)總線電流維持不變；rx為低電平時(shí)，總線增加一固定電流。

當(dāng)智能傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)，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(jì)

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