摘要:針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線壓力變送器硬件控制電路功耗高的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種新型低功耗無(wú)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(wú)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(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力信息的實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要包括STM32L 處理器、壓力采集模塊與GPRS 無(wú)線通信模塊,具有高精度、低功耗、速度快和無(wú)線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。
0 引言
目前,無(wú)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(dòng)化成本,提高自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,無(wú)線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成為了一個(gè)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(chǎng)的干擾,降低了壓力變送器的精que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(shí)監(jiān)測(cè)SF6壓力。針對(duì)傳統(tǒng)的壓力變送器靜態(tài)性能人工檢測(cè)效率低、精度差、可靠性不高和勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。提出了一種基于STM32L 處理器、壓力采集模塊與GPRS 無(wú)線通信模塊的無(wú)線壓力變送器采集電路系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了壓力信號(hào)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(wú)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(wèn)題。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
無(wú)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(guò)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(hào)。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(wú)線壓力變送器的核心,所有的電池電量檢測(cè)、MPT570 壓力檢測(cè)、時(shí)間檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都在這個(gè)模塊的作用下完成的。GPRS 通信模塊將傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),通過(guò)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(cè)被測(cè)物體的壓力,并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),通過(guò)信號(hào)處理后,由信息的方式傳送出去。綜合考慮低功耗、環(huán)境問(wèn)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(hào)在0 ~ 3Vdc 的配套終端設(shè)備而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,信號(hào)處理電路采用高性能的MCU 及高精度的ADC和DAC,可以長(zhǎng)期穩(wěn)定在0. 5 %F·S 以內(nèi)工作,專用的數(shù)字信號(hào)處理電路wuxu電位器調(diào)節(jié),通過(guò)程控器就能方便的對(duì)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(cè)量原理
對(duì)于金屬材料或半導(dǎo)體材料,如果給它的一個(gè)面施加壓力或者拉力,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)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(hào)不同的力敏電阻,初始條件下,R1 = R2 = R3 = R4 = R,此時(shí)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(shí),薄膜兩側(cè)出現(xiàn)壓差,使4 個(gè)電阻發(fā)生變化,電橋失去平衡。
式中ΔR1,ΔR2,ΔR3,ΔR4為有壓力時(shí),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(gè)等值電阻,形成了一個(gè)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(gè)與壓力成正比的電壓信號(hào)。
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(duì)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(jì)
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(guò)閾值的壓力輸入電平信號(hào)后,控制GPRS 模塊以向指定用戶發(fā)出報(bào)警信息。
3. 1 主控制器
通過(guò)整體考慮功耗、發(fā)射頻率、接收時(shí)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(chǔ)器容量,工作頻率為72 MHz,具有很高性能和低功耗與工業(yè)級(jí)溫度范圍的特性。它應(yīng)用了節(jié)能#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(shí)間都能用#低的功耗來(lái)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(lái)保持寄存器和內(nèi)部RAM 中的數(shù)據(jù),并且通過(guò)相關(guān)函數(shù)的編寫(xiě)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(wú)線傳輸含有壓力、時(shí)間信息的數(shù)據(jù)至用戶移動(dòng)終端,并接收用戶移動(dòng)終端對(duì)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(guò)DTR 引腳來(lái)控制模塊進(jìn)入或者退出SLEEP 模式。當(dāng)DTR 為高電平時(shí),模塊處于待機(jī)狀態(tài),也沒(méi)有其他中斷產(chǎn)生,模塊將自動(dòng)進(jìn)入SLEEP 模式。這種模式下,模塊仍能接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的呼叫和短消息。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)為實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)建立連接關(guān)系,并使報(bào)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(guò)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(cè)電池電量低于設(shè)定值時(shí),直接向數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送數(shù)據(jù);監(jiān)測(cè)電量正常時(shí),采集MTP570 監(jiān)測(cè)的壓力大于閾值產(chǎn)生一個(gè)大于3. 2 s 高電平信號(hào),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(cè)設(shè)定時(shí)間未達(dá)到規(guī)定時(shí)間,重新回到監(jiān)測(cè)電量狀態(tài);時(shí)間達(dá)到規(guī)定時(shí)間,數(shù)據(jù)管理模塊通過(guò)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(shí),通信模塊從休眠模式進(jìn)入到正常工作模式。通信模塊shou先金行初始化,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(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)以短信的形式送來(lái)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(lái)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(chǔ)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(guò)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(shí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存分析。流程圖如圖7 所示。
5 結(jié)束語(yǔ)
文中設(shè)計(jì)了一種基于低功耗無(wú)線壓力變送器采集電路系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。當(dāng)壓力超過(guò)閾值時(shí),及時(shí)報(bào)警,滿足對(duì)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(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)解決了功耗問(wèn)題,延長(zhǎng)了變送器的使用周期,實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。