工業無線的單晶硅壓力變送器

摘要:在工業過程自動化現場往往存在布線困難,人員無法到達,電磁干擾強,空間復雜等特點,尤其是油氣化工行業，需要一款滿足工業現場使用的無線精度高壓力變送器對壓力、液位的測量與監測,將工業無線通信技術與精度高單晶硅壓力測量技術相結合,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平滑的高精度壓力測量,采用電池供電并考慮工業現場防爆要求,在滿足工業現場對低速率、成本敏感、局域覆蓋、數據量小、長電池壽命的工業現場無線局域網絡監控需求的基礎上,開發一種滿足工業無線通信標準的精度高壓力變送器。可以提高工業現場壓力測量的信息化、數字化管理水平,大幅降低運維成本,工業無線壓力變送器有廣闊的應用前景。
0引言
　　現代工業自動化領域應用加速向信息化、數字化、高實時性、大數據的工業物聯網方向快速發展,工業領域內各行業對無線傳感器網絡設備的應用需求將會越來越普及。工業無線技術有著低成本、效率高、可靠性高、鋪設便捷等巨大的優勢,在工業現場監測領域得到了廣泛應用。相對傳統的兩線制、四線制工業總線傳輸的壓力變送器而言，壓力變送器是以無線通信方式接入可控的局域網絡,結合PC運行的強大的DCS服務端數據分析和管理軟件,對無線壓力變送器實施無人遠程實時監控,工業無線通信技術選擇具有我國自主知識產權、滿足離散工業現場需求的無線通信網絡。通信技術具有高可靠性，高抗干擾能力、較低成本，超低功耗的無線Mesh局域網絡,非常適合離散工業過程自動化及工廠信息化領域的應用現場[4)，尤其是油氣、化工和罐區等應用場景。
1工業無線變送器特征
　　離散工業現場應用要求工業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進行設置,防護等級達到IP67,滿足國家防爆性能,無線網絡遵循無線通信協議標準。一個無線網絡是由無線網關和多個無線設備組成,無線網關支持100個設備接入網絡的能力,實際應用中為了有更好的實時性推薦一個網絡不超50個設備,數個無線局域網絡可通過以太網、工業總線、4G/5G通信擴展形成大規模數字化網絡。無線網絡屬于Mesh網絡,無線設備同時具有路由跳轉功能,通用物理層射頻芯片可以有效控制成本和物料采購,整個網絡采用統--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,滿足油氣化工行業的離散工業監測、工廠數字化場景應用要求的低速率、低成本、局域覆蓋、小數據量的工業無線網絡。
　　無線壓力變送器將采樣的單晶硅壓力傳感器數據經過模數轉換、線性處理及補償轉換為2.4GHz無線信號接人支持標準協議的無線網關中,無線網關負責整個無線網絡的節點設備管理和網絡維護,無線網關通過以太網或RS485接口遵循modbus或OPC等工業應用層通信協議接入當地DCS系統。
一個工業無線網絡主要由以下部分組成:
·無線節點設備:工業無線壓力變送器，安裝在離散工業現場。
·無線網關:負責無線通信網絡的設備管理和響應DCS系統或上位機數據讀寫請求。
·DCS系統或上位機:上位機是用戶、網絡管理及維護人員與通信網絡交互的平臺,用戶可以通過上位機網絡管理軟件對通信網絡進行配置及與終端設備進行數據信息交互,工業現場--般是DCS系統。
2變送器硬件設計
　　工業無線變送器硬件設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供電電路設計
　　無線變送器采用電池供電,為了滿足防爆和無線射頻發射的要求,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送的最大功率要求[8]。電池采用鋰亞硫酰氯材質，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,內阻是2.31Ω,最大峰值電流400mA,可持續最大輸出230mA電流;無線壓力變送器整機最大電流經計算約168mA,電池滿足變送器的供電能力,在電池輸出端并聯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射電流持續時間的時間差,串聯150mA熔斷式保險絲做功率限制,再串聯5.1Ω/10W的功率電阻做限流保護，可以滿足本設計的防爆應用需求。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,保證主板穩定運行和傳感器高精度采樣。另一路經過MCU控制的PMOS管開關電路為模塊供電，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、人機輸人及數顯電路、EEPROM存儲電路及外部時序監控電路。采用激光焊技術將單晶硅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生微弱毫伏電壓變化信號,經精度高、低溫漂的放大電路整形、跟隨、放大、濾波、溫度補償、A/D轉換成數字信號,將數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據";人機輸人及數顯電路提供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設定和工作方式切換,LCD用于顯示被測數據、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,室內可達300米，模塊采用先進的網絡時間片管理和低能耗管理技術,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進行數據交互。
3變送器軟件設計
　　無線壓力變送器軟件運行流程包括采樣與控制(采樣、控制、智能化數顯按鍵等)、低功耗調度、通信三大任務。
 
3.1采樣與控制任務
　　采樣任務主要實現對傳感器模擬信號的采集、濾波、處理、算法分析，通過相關算法實現采集信號的穩定準確計算。輸出當前壓力值給控制任務模塊和LCD數顯模塊;控制任務模塊響應來自按鍵、無線網絡、標定上位機的相關數據交換、參數傳遞,實現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;以及網絡PANID設、信道、組號表號、數據更新率的設置。
控制任務主要實現子任務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,同時監視整機運行的智能化診斷功能;智能化診斷功能實現壓力、溫度多變量監測與補償、過程狀態監測與診斷。軟件內存設置有狀態判斷數據表和報警信息表,對軟件各單元模塊周期性的巡檢關鍵測量信號,并與內存設置的狀態數據表相比較,判斷儀器的工作狀態是否超出邊際，當有異.常狀態發生或預判到可能導致異常發送時,置位對應的報警信息,通過LCD、無線通信的方式發出診斷異常預警信息，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,實時連續的采樣數據匯集到一個數據緩沖池中,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低功耗調度任務
　　對于電池供電設備來說,節能長壽命是非常重要的指標，所以低功耗調度任務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,有效調配各個電路單元、MCU各外設資源、軟件子任務塊時序等在有效的時間內完成各自任務后就進人休眠模式。無線網絡是采用時間片同步的無線網絡,無線壓力變送器人網后在其固定的時隙工作,在無任務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絡同步,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,人網等待時間受網絡規模和信號強度影響電量消耗較大，所以要根據現場應用需求做合理的網絡調度機制。
3.3無線通信任務
　　變送器上電后MCU對通信模塊進行初始化配置，偵聽相同網絡號、信道的無線網關廣播幀并申請加人網絡,如加人不成功則休眠30分鐘后再次偵聽,加入無線網絡成功后,變送器就處于網絡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,無線數據發送間隔是由用戶通過按鍵或通信方式自定義設置的傳輸間隔決定的，通過低功耗定時器喚醒變送器執行采用和無線通信任務,無線通信任務主要包含兩部分,即用戶數據傳輸和用戶數據接收,用戶數據傳輸是將用戶采集的數據打包成通信模塊可識別的HDLC幀格式的數組,通過串行通信接口傳輸到通信模塊,數據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送出去,同樣當無線網關要向通信模塊發送數據或命令時，也是輪到此變送器的時間片到達后再發送,變送器MCU接收到通信模塊的串行HDLC格式數據后,對HDLC幀格式的數組進行拆包并奇偶校驗,提取出用戶數據,這就是用戶數據接收過程。變送器的工作時間片過后就進人短暫休眠狀態直到下一個時隙周期到達后喚醒。
4測試驗證
　　工程樣機軟硬件設計完成后，按照如下測試方法進行精度和網絡測試驗證。
 
　　待測無線變送器與壓力計和壓力發生器連接,由壓力計和壓力發生器提供高精度的壓力被測源,先進行滿量程測量范圍內的壓力標定,標定后就可以進行高精度的實際測量。無線網關上電并通過以太網連接電腦,WIA控制臺組圖軟件從無線網關讀取到人網的無線變送器數據如下圖4,無線變送器符合工業無線標準協議。
 
　　經過壓力計、無線變送器及WIA控制臺軟件的數據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計、精密的溫度補償和線性補償，有效保證了產品的精度高、穩定性好,可用于液體、氣體壓力和液位的測量。
5結束語
　　通過采用24位精度高A/D采樣、低溫漂設計方法結合二乘法五階線性擬合和濾波算法計算實現了壓力的高精度測量,集成了符合工業無線標準協議的通信技術到壓力變送器;充分考慮了離散工業現場對低功耗、低速率、局域覆蓋、精度高測量、工業防潮防爆等要求,從硬件和軟件兩方面展開了描述,該無線變送器設計可以滿足離散工業現場對過程壓力測量、液位測量的無線遠程監測。