概 述:
對于老式的無線壓力變送器硬件控制電路功耗高的問題，設(shè)計了一種新型低功耗無線壓力變送器采集電路系統(tǒng)。建立以ARM 微控制器為核心的無線壓力變送器采集電路系統(tǒng)，解決了硬件控制電路功耗高的問題，實(shí)現(xiàn)了對壓力信息的實(shí)時傳輸監(jiān)測。該系統(tǒng)主要包括STM32L 處理器、壓力采集模塊與GPRS 無線通信模塊，具有高精度、低功耗、速度快和無線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。
0 引言
目前，無線壓力變送器已經(jīng)廣泛應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，為了能夠降低自動化成本，提高自動化系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為了一個熱點(diǎn)技術(shù)。傳統(tǒng)的壓力變送器存在著布線困難和電磁場的干擾，降低了壓力變送器的精確性和使用范圍。
壓力變送器在SF6斷路器中應(yīng)用廣泛，需要用壓力變送器實(shí)時監(jiān)測SF6壓力。針對傳統(tǒng)的壓力變送器靜態(tài)性能人工檢測效率低、精度差、可靠性不高和勞動強(qiáng)度大等問題。提出了一種基于STM32L 處理器、壓力采集模塊與GPRS 無線通信模塊的無線壓力變送器采集電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓力信號的采集與傳輸。此壓力變送器具有高精度、低功耗、速度快和無線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)壓力變送器存在的問題。
1 系統(tǒng)設(shè)計方案
無線壓力變送器主要由3 部分組成:采集模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和GPRS 通信模塊組成。儀表的功能框圖如圖1 所示。采集模塊通過MPT570 壓力變送器采集目標(biāo)區(qū)域的壓力值，并將處于休眠狀態(tài)的數(shù)據(jù)管理模塊喚醒，向它傳輸壓力信號。數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)將通信模塊喚醒，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸給通信模塊，是無線壓力變送器的核心，所有的電池電量檢測、MPT570 壓力檢測、時間檢測、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲都在這個模塊的作用下完成的。GPRS 通信模塊將傳輸過來的數(shù)據(jù)，通過SIM900A 由短信的方式發(fā)送給用戶。
2 變送器的選擇
2． 1 微功耗壓力變送器
壓力變送器檢測被測物體的壓力，并將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號處理后，由信息的方式傳送出去。綜合考慮低功耗、環(huán)境問題、可靠性等條件，選擇MPT570壓力變送器。MPT570 是為工作電壓為2． 7 ～ 3． 6 V，需要輸出信號在0 ～ 3Vdc 的配套終端設(shè)備而設(shè)計的產(chǎn)品，信號處理電路采用高性能的MCU 及高精度的ADC和DAC，可以長期穩(wěn)定在0． 5 %F·S 以內(nèi)工作，專用的數(shù)字信號處理電路無需電位器調(diào)節(jié)，通過程控器就能方便的對其零點(diǎn)和滿程進(jìn)行校準(zhǔn)、標(biāo)定和量程的縮放，量程的縮放比例為5∶ 1。
2． 2 壓力測量原理
對于金屬材料或半導(dǎo)體材料，如果給它的一個面施加壓力或者拉力，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會發(fā)生變化，影響導(dǎo)體電阻壓力率的變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。為了得到比較高的靈敏度和比較小的零點(diǎn)輸出，在傳感器電路中應(yīng)用惠斯通電橋，惠斯通電橋如圖2 所示。
R1，R3和R2，R4是壓阻系數(shù)符號不同的力敏電阻，初始條件下，R1 = R2 = R3 = R4 = R，此時電橋平衡，零輸入狀態(tài)下平衡，輸出電壓為0。
式中:Vs為輸出電壓;V 為輸入電壓。當(dāng)彈性膜片受到外界壓力時，薄膜兩側(cè)出現(xiàn)壓差，使4 個電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡。
式中ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4為有壓力時，電阻發(fā)生變化的值。
2． 3 壓力變送器工作原理
2. 3. 1 傳感器部分
傳感器采用的是彈性材料，依據(jù)不同的受力方式從而加工成環(huán)、梁、膜、片等不同的形狀，在彈性材料基體上刻蝕、粘貼或?yàn)R射4 個等值電阻，形成了一個惠斯通電橋，當(dāng)彈性材料基體感受壓力后，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的電壓信號。
2. 3. 2 電路部分
(1)4 ～ 20 mA 輸出，二線制，采用V/I 轉(zhuǎn)換專用電路，具有高精度、高可靠、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，零點(diǎn)可自由遷移。
(2)0 ～ 3 V 輸出，三線制，采用儀表運(yùn)算放大器，具有穩(wěn)定性好、精度高、共模擬制比高、輸入阻抗高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
(3)程控變送器電路，可以對變送器的量程在20∶ 1范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。零位可以在50% 內(nèi)任意遷移，消除了地域環(huán)境改變所產(chǎn)生的誤差。
3 采集電路設(shè)計
系統(tǒng)控制電路采用STM32L 系列ARM 內(nèi)核32 位微控制器為主控制器。主控制器獲取壓力變送器采集到超過閾值的壓力輸入電平信號后，控制GPRS 模塊以向指定用戶發(fā)出報警信息。
3． 1 主控制器
通過整體考慮功耗、發(fā)射頻率、接收時間、芯片成本、耐用度等指標(biāo)，系統(tǒng)控制電路主控制器采用了STM32L151C8T6。它基于高品質(zhì)的ARM Cortex － M3內(nèi)核，內(nèi)置128 K 閃存存儲器容量，工作頻率為72 MHz，具有超高性能和低功耗與工業(yè)級溫度范圍的特性。它應(yīng)用了節(jié)能非常優(yōu)化的架構(gòu)與0． 13 μm 的STMicroelectronics 超低漏電生產(chǎn)工藝。STM32L 劃分了6 種工作模式，能夠讓它在不同的工作時間都能用非常低的功耗來完成相應(yīng)的任務(wù)。穩(wěn)壓器為Vcore( 穩(wěn)壓器輸出電壓) 域提供超低功耗電壓，用來保持寄存器和內(nèi)部RAM 中的數(shù)據(jù)，并且通過相關(guān)函數(shù)的編寫降低了內(nèi)部參考電壓的功耗。硬件電路如圖3 所示。
3． 2 GPRS 通信模塊
GPRS 通信模塊作用:無線傳輸含有壓力、時間信息的數(shù)據(jù)至用戶移動終端，并接收用戶移動終端對其發(fā)出的系列指令。GPRS 模塊硬件電路圖4 所示。模塊包括SIM900A 模塊和SIM 卡，SIM900A 具有低功耗的性能，待機(jī)模式電流低于18 mA，休眠模式下的耗流為1． 0 mA。使用AT 命令“AT + CSCLK = 1”設(shè)置允許進(jìn)入SLEEP 模式，然后通過DTR 引腳來控制模塊進(jìn)入或者退出SLEEP 模式。當(dāng)DTR 為高電平時，模塊處于待機(jī)狀態(tài)，也沒有其他中斷產(chǎn)生，模塊將自動進(jìn)入SLEEP 模式。這種模式下，模塊仍能接收來自網(wǎng)絡(luò)的呼叫和短消息。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計由主程序、GPRS 通信模塊、上位機(jī)等子程序共同組成。主程序設(shè)計為保證采集系統(tǒng)電路正常運(yùn)轉(zhuǎn)。GPRS 通信模塊子程序設(shè)計為實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)建立連接關(guān)系，并使報警信息與采集壓力數(shù)據(jù)在指定用戶之間發(fā)送與接收。
4． 1 采集模塊流程
采集模塊軟件流程圖如圖5 所示，它的運(yùn)行過程為:上電，系統(tǒng)配置，A/D 轉(zhuǎn)換等初始化，完成后模塊進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)監(jiān)測電池電量低于設(shè)定值時，直接向數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送數(shù)據(jù);監(jiān)測電量正常時，采集MTP570 監(jiān)測的壓力大于閾值產(chǎn)生一個大于3． 2 s 高電平信號，直接發(fā)送到數(shù)據(jù)管理模塊;當(dāng)壓力小于閾值，監(jiān)測設(shè)定時間未達(dá)到規(guī)定時間，重新回到監(jiān)測電量狀態(tài);時間達(dá)到規(guī)定時間，數(shù)據(jù)管理模塊通過串口接收采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。這樣，采集模塊完成一次數(shù)據(jù)采集。
4． 2 GPRS 通信模塊程序流程
當(dāng)收到數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)時，通信模塊從休眠模式進(jìn)入到正常工作模式。通信模塊首先進(jìn)行初始化，設(shè)置短信文本樣式，設(shè)置GPRS 字符集，編輯信息類型，發(fā)送短信。維護(hù)人員接收到通信模塊通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)以短信的形式送來的數(shù)據(jù)，流程圖如圖6 所示。
4． 3 上位機(jī)程序流程
上位機(jī)接收到GPRS 通信模塊以短信的形式發(fā)送來的采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)成功則儲存數(shù)據(jù)，并通知采集模塊數(shù)據(jù)已經(jīng)正確接收，再將經(jīng)過算法處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，同時也以短信的形式發(fā)給運(yùn)行維護(hù)人員。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存分析。流程圖如圖7 所示。
5 結(jié)束語
文中設(shè)計了一種基于低功耗無線壓力變送器采集電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對壓力信號的實(shí)時采集。當(dāng)壓力超過閾值時，及時報警，滿足對故障及早發(fā)現(xiàn)、及早排除的基本要求，具有反應(yīng)速度快、精度高、實(shí)時性好等優(yōu)點(diǎn)。通過軟件設(shè)計解決了功耗問題，延長了變送器的使用周期，實(shí)現(xiàn)了壓力儀表現(xiàn)場數(shù)據(jù)無線傳輸功能。
