秦軍 黃宏偉

西儀股份有限公司 陜西西安 710082

發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件非?？量蹋幱诟邷?、高壓和高速轉(zhuǎn)動(dòng)的工作狀態(tài)。為了提升發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、可靠性以及壽命等，就需要利用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)來充分掌握發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的溫度、壓力、腐蝕、間隙以及應(yīng)力等情況?；谔沾呻娙輭毫鞲衅骱虯DuCM361單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的專用壓力變送器，能夠針對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)準(zhǔn)確度高、靈敏度高、小型化、抗惡劣環(huán)境、非接觸、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、智能化等要求，進(jìn)行精確快速壓力測(cè)量及遠(yuǎn)距離4-20mA直流信號(hào)傳送，也可完成遠(yuǎn)程通信組態(tài)。

1 系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

變送器由壓力傳感器、ADuCM361單片機(jī)、HART通信電路、4-20mA轉(zhuǎn)換電路組成。整體方案實(shí)現(xiàn)如圖1。

圖1 原理框圖

2 ADuCM361概述

ADuCM361[1]是完全集成的3.9kSPS、24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，片上集成了高性能多通道 Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、32位ARM Cortex?-M3處理器和Flash存儲(chǔ)器。芯片自帶一個(gè)32kHz和16MHz蕩器。ADuCM361為低功耗ARM Cortex-M3處理器，峰值性能最高可達(dá)20MIPS。雙通道ADC可在全差分和單端模式下工作，ADC包括可編程激勵(lì)電流源、診斷電流源和偏置電壓產(chǎn)生器AVDD_REG/2(900mV) 等功能。ADC包含兩個(gè)濾波器：一個(gè)濾波器用于精密測(cè)量，另一個(gè)濾波器用于快速測(cè)量。片上還集成了低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源、可緩存外部基準(zhǔn)電壓輸入，以及一個(gè)單通道帶緩沖的DAC。芯片還集成了一系列片內(nèi)外設(shè)如：UART、I2C、SPI、19個(gè)GPIO、兩個(gè)通用定時(shí)器、喚醒定時(shí)器及系統(tǒng)看門狗定時(shí)器。同時(shí)提供了一個(gè)帶6個(gè)輸出通道的16位PWM控制器。ADuCM361專為要求低功耗工作的電池供電應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可以通過程序配置為多種低功耗工作模式。ADuCM361采用外部1.8V至3.6V電源供電，額定溫度范圍為-40°C至+125°C。

3 陶瓷電容壓力傳感器

陶瓷電容壓力傳感器中間無任何填充液體，過程壓力直接作用在陶瓷膜片的表面，襯底的電極與膜片電極的電容量變化比例于壓力大小，傳感器輸出500-4500mV的直流電壓。過載時(shí)，膜片貼到襯底上而不會(huì)損壞，當(dāng)壓力恢復(fù)正常時(shí)，其性能不受任何影響。傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，自帶溫度補(bǔ)償-20-80℃。陶瓷電容壓力傳感器與介質(zhì)直接接觸不會(huì)產(chǎn)生工藝污染，因此在食品、醫(yī)藥等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，以此生產(chǎn)的變送器被應(yīng)用在各種測(cè)量壓力的場(chǎng)合。

4 4-20mA轉(zhuǎn)換電路

由AD5421[2]完成變送器4-20mA直流電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換輸出。AD5421是一款完整的環(huán)路供電型4-20mA數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，專為滿足工業(yè)控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的一種高精度、低成本解決方案。AD5421外圍電路如圖2所示，AD5421內(nèi)置一路穩(wěn)壓輸出，用于為自身及系統(tǒng)中的其它器件供電，R11、R12經(jīng)1M電阻上拉DVDD及VS2接DGND配置AD5421輸出電壓為3.3V。AD5421通過SPI接口與ADuCM361完成數(shù)據(jù)通信。

圖2 4-20mA轉(zhuǎn)換電路

圖3 軟件流程圖

5 軟件流程圖

專用變送器軟件設(shè)計(jì)包括壓力信號(hào)采集、壓力值計(jì)算、線性修正、DAC輸出轉(zhuǎn)換、HART通信等幾個(gè)部分。

6 結(jié)語

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)壓力測(cè)量需求，給出了一種基于ADuCM361和陶瓷電容壓力傳感器的變送器電路設(shè)計(jì)方法。經(jīng)實(shí)際工況試驗(yàn)表明采用該方案設(shè)計(jì)制作的試驗(yàn)平臺(tái)專用變送器精度可達(dá)0.075%F.S，溫度影響小于0.1%/10℃。該方案采用高集成度單芯片和干式傳感器，也可廣泛應(yīng)用醫(yī)藥、食品等行業(yè)的高精度壓力測(cè)量要求。