专利名称：硅电容智能压力/差压变送器及其测量方法
技术领域：
本发明属压力/差压变送器领域，尤其涉及一种硅电容智能压力/差压变送器及
其测量方法。
背景技术：
在工业过程控制领域，1151系列压力/差压变送器是压力测量使用最多的变送器 品种。近年来，正在向小型化、高精度和智能化方向发展。国内外的这一产品，绝大多数都 是采用金属电容为传感器的材料。 目前，在压力变送器在前端信号采集上，大多是通过多绕组振荡变压器进行激励 的方式把电容信号转换为电压信号来完成压力信号的采集。这种方式的测量信号稳定性较 差，同时，由于测量结果为模拟电压信号，还需进行A/D转换才能变成数字量，进入单片机 系统。这既提高了成本，又带来了一定的精度损失。

发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种结构简单，成本低廉，测量信号 精确，稳定性高的硅电容智能压力/差压变送器。另外，本发明还提供一种与上述硅电容智 能压力/差压变送器相配套的测量方法。
为达到上述目的，本发明是这样实现的 —种硅电容智能压力/差压变送器，包括硅电容压力传感器、时间数字转换电
路、单片机、存储器、智能显示单元、D/A转换部分及Hart协议处理电路； 所述硅电容压力传感器用于将外界压力变化信号转换为电容变化值； 所述时间数字转换电路的输入端与所述硅电容压力传感器的输出端相接，其对硅
电容压力传感器进行周期性的充放电并记录充放电时间，然后将所述充放电时间转化为数
字信号； 所述单片机的信号输入端接时间数字转换电路的信号输出端；所述单片机的信号 输出端分别接存储器、智能显示单元、D/A转换部分及Hart协议处理电路的输入端；所述单 片机接收时间数字转换电路采集的压力信号，并对其进行运算处理；
所述存储器用于存储预设参数；
所述智能显示单元用于显示工作信息； 所述D/A转换部分将测量结果转化为模拟量后控制整个电路部分的电流分配；
所述Hart协议处理电路将输入的Hart协议通信信号进行解调并转换为单片机串 口通信信号，再将单片机的串口输出信号进行相应的调制。 作为一种优选方案，本发明所述单片机内配有温度传感器，以实时测量硅电容压 力传感器的温度。 作为另一种优选方案，本发明所述单片机与存储器、智能显示单元及时间数字转 换电路通过SPI总线进行数据交换。
本发明所述Hart协议处理电路包括Hart协议芯片、输入解调部分及输出调制部分；所述输入解调部分的输出端接Hart协议芯片的输入端；所述Hart协议芯片的输出端接输出调制部分的输入端。 本发明所涉及的测量方法，依次按如下步骤实施 (1)从存储器中调取数据； (2)将所采集的数据进行A/D转换； (3)进行电流控制； (4)将步骤(3)得到的测量结果进行D/A转换；
(5)将步骤(4)所得结果进行数据输出。 另外，本发明所述步骤(3)中的电流控制依次包括电流微调、调整放大倍数及线性化。 再次，本发明在所述电流控制后可接续进行温度补偿。 本发明采用硅材料为传感器的材料。由于构成传感器的硅材料在外力作用下有比金属电容更好的弹性变形等特性，因此硅电容压力/差压变送器比金属电容变送器具有更好的精度和稳定性。 本发明所设计的电路，把代表着压力的电容信号，直接转化为数字信号，输入到单
片机中。首先，不同于市场上其它的产品，本发明采用了硅电容作为压力传感器的材料；其
次，信号采集方式上既不同于传统的通过多绕组振荡变压器进行激励的方式来采集电容
信号，也不是用简单的电容/频率转换电路，而是采用了精密的时间数字转换电路；再次，
Hart协议通讯功能完备，并在指令系统上增加了附和本产品的功能。 与现有技术相比，本发明具有如下特点 1)用硅材料电容作为压力传感器。 2)采用时间数字转换电路，直接把电容信号转换为数字信号，增加了系统的稳定性及测量精度。 3)智能通信(Hart协议)功能完备，并在指令系统上增加了附和本产品的功能。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。本发明的保护范围将不仅
局限于下列内容的表述。
图1为本发明系统电路原理框图； 图2为本发明SPI总线结构图； 图3为本发明时间/数字转换电路图； 图4为本发明测量程序流程图； 图5为本发明系统具体电路原理图； 图6为本发明主程序软件流程图； 图7为本发明中断服务程序软件流程图。
具体实施例方式如图1 3所示，硅电容智能压力/差压变送器，它包括硅电容压力传感器、时间数字转换电路、单片机、存储器、智能显示单元、D/A转换部分及Hart协议处理电路；所述硅电容压力传感器用于将外界压力变化信号转换为电容变化值；所述时间数字转换电路的输入端与所述硅电容压力传感器的输出端相接，其对硅电容压力传感器进行周期性的充放电并记录充放电时间，然后将所述充放电时间转化为数字信号；所述单片机的信号输入端接时间数字转换电路的信号输出端；所述单片机的信号输出端分别接存储器、智能显示单元、D/A转换部分及Hart协议处理电路的输入端；所述单片机接收时间数字转换电路采集的压力信号，并对其进行运算处理；所述存储器用于存储预设参数；所述智能显示单元用于显示工作信息；所述D/A转换部分将测量结果转化为模拟量后控制整个电路部分的电流分配；所述Hart协议处理电路将输入的Hart协议通信信号进行解调并转换为单片机串口通信信号，再将单片机的串口输出信号进行相应的调制；所述单片机内配有温度传感器，以实时测量硅电容压力传感器的温度；所述单片机与存储器、智能显示单元及时间数字转换电路通过SPI总线进行数据交换。本发明所述Hart协议处理电路包括Hart协议芯片、输入解调部分及输出调制部分；所述输入解调部分的输出端接Hart协议芯片的输入端；所述Hart协议芯片的输出端接输出调制部分的输入端。 在系统设计上，本发明包括硅电容压力传感器，用于将外界压力变化信号转换为电容变化值； 时间数字转换电路，其输入端与所述硅电容压力传感器连接；对电容进行周期性的充放电，同时电路记录硅电容传感器的充放电时间，然后把这一充放电时间转化为数字信号； 单片机接收信号采集电路所采集的压力信号，并对其进行各种运算处理；
存储器用于存储对所述变送器进行标定所设置的各种参数； 智能显示单元用于显示进行过各种处理后的测量数据，以及各种设置信息，并能进行故障提示； 数字/模拟转换部分把测量结果转化为模拟量(4-20mA)，并控制整个电路部分的电流分配。形成二线制的电流测量信号； Hart协议处理电路把输入的Hart协议通信信号进行解调，转换为单片机串口通信信号，又把单片机的串口输出信号调制到变送器的二线制电流信号之上，使变送器具有各种智能功能。 硅电容智能压力/差压变送器包括硅电容传感器、信号采集板、智能通信板、智能显示板和变送器壳体五个部分组成。变送器系统结构见图1。当外界压力发生变化时，硅电容传感器的感压膜片发生机械位移。而感压膜片即硅电容的极板。这样，外界压力的变化，就转化为了硅电容的电容值的变化。硅电容的极板随着压力的增加和减小而变化。如式l
P = K(C1-C2)/(C1+C2) 式l 式中P—一压力，K为比例系数，Cl、 C2为硅电容传感器的两个可变电容。
由式1可见，电容传感器极板随压力变化时，当反复加上相同的压力，极板位置的重复性，是决定传感器精度的关键。国内外的这一产品，绝大多数都是采用金属电容为传感器的材料。本项发明采用硅材料为传感器的材料。由于构成传感器的硅材料在外力作用下有比金属电容更好的弹性变形等特性，因此硅电容压力/差压变送器比金属电容变送器具有更好的精度和稳定性。
传感器的电容信号，需要转化为输出给单片机能采集的信号形式。传统的压力变送，大多是通过多绕组振荡变压器进行激励的方式把电容信号转换为电压信号来完成压力信号的采集。这种方式的测量信号稳定性较差，同时，由于测量结果为模拟电压信号，还需进行A/D转换才能变成数字量，进入单片机系统。这既提高了成本，又带来了一定的精度损失。针对这一问题，近几年，出现了采用时基电路等方式，把电容信号转化为频率信号来完成测量。这种方式虽然减少了A/D转换步骤，但由于电容转化频率的电路简单，易受器件参数影响。测量精度也不是很理想。本发明所设计时间/数字转化电路，把代表着压力的电容信号，直接转化为数字信号，输入到单片机中。 如图3，通过单片机分时控制模拟开关K1的coml和com2引脚，让激励电路分别对传感器的Cl和C2进行充电。时间/数字转换电路CAV424对Cl和C2的放电过程进行精密计时，并把测量结果转化成24位数字信号。通过SPI接口 ，与单片机进行通信。
通过Hart协议对变送器的各项参数进行设置。包括日期、传感量程种类、传感量程代码、主变量单位、主变量报警选择、温度补偿数据、线性化数据、标记(6字节)、描述符(12字节)、信息(24字节)、主变量上限、主变量上限、阻尼、主变量电流零点、主变量电流量程、传感器量程上限、传感器量程下限、正向量程比、反向量程比等参数。
设置的参数保存在串行EEPROM里。采用Atmel公司的93C66。它是512*8位串行非易失数据存储器。可保存以上参数。 智能通信板上包括单片机、Hart协议处理电路、看门狗电路、D/A转换电路四部分。见图1、2，单片机采用Silicon公司的C8051F023。它具有运算能力强，速度快，程序存储量大、功耗低等特点。Hart协议调制解调芯片采用SMAR公司的HT2012。看门狗电路采用MAX706。 D/A转换电路采用AD公司的AD421，它由电流环路供电，16位数字信号以串行方式输入，4 20mA电流输出。系统硬件见图5。以上芯片除了完成数据运算、Hart通信、D/A转换外，还必需考虑整个变送器的功耗问题。也就是说，因为变送器工作为二线制4 20mA信号，因此，必需保证整个电路的静态功耗不能超过3. 7mA。 本发明的另一个技术特点为在智能通信板上，单片机系统内部采用SPI总线通信系统。单片机、时间/数字转换电路、E2PR0M存储器、液晶显示器驱动芯片全部采用含用SPI接口的芯片，原理图见图2。 SPI，是英语Serial Peripheralinterface的縮写，就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间提供方便。 智能液晶显示器采用HT1620驱动芯片。智能变送器的液晶板卡不仅能实时显示被测压力值，还具有如下功能 a)、显示模式选择。可切换或分时显示测量值对应的压力值、百分数值、温度值。
b)、显示单位选择。可切换多种显示单位。如"kpa"，"pa"，"mmH20"，"mA"，"％"，"mmHg，，等。 c)、具有故障诊断功能。当智能变送器所测量的压力超过传感器的物理量程或用户量程时，液晶将显示故障提示信号。 本发明为了使变送器在现场调校更加方便，还增加两个按键和一个两位拨码开关。两个按钮用于现场就地调整量程。当在变送器初始上电时，两个按钮处于"休眠"状态，即按键无反应。为了使按钮有效，需要在上电后"激活"按钮，方法是在变送器正常工作状态下双手同时按住两个按钮5 10秒，此时按钮就被"激活"，在变送器不断电情况下可任意连续使用两个按钮。若变送器断电后又重新上电，或15分钟内没有按键动作，为了使用按钮需要重新"激活"。 按钮在"激活"状态下可用于调整变送器的零位和满量程。每次按键动作需保持5秒钟，否则按键无效，无法调整变送器的量程。 当变送器处于调校状态时，拨码开关拨到0FF。可以对电路上的EEPR0M器件进行写操作。也就是说，可以改变变送器的各项参数。当调校结束后，把拨码开关拨ON位置。这时单片机禁止任何对EEPROM的写操作。这样，在现场使用中，对智能变送器的各项参数都起到了保护作用。 本发明所设计硅电容智能变送器，在调校时，应按图4给出有顺序，参照调校说明
书，用硅电容智能变送器调试软件或手操器进行调校。 如图6，在进行实际测量时，可依次按如下步骤实施 (1)从存储器中调取数据； (2)将所采集的数据进行A/D转换； (3)进行电流控制； (4)将步骤(3)得到的测量结果进行D/A转换；
(5)将步骤(4)所得结果进行数据输出。 上述步骤(3)中的电流控制步骤依次包括电流微调、调整放大倍数及线性化。本发明在所述电流控制后可接续进行软件温度补偿。 软件采用C51编程，分为采集、运算、串行传输、D/A输出和Hart协议处理程序。其中Hart协议中断处理程序框图见图7 。 当变送器的二线制电流环路里收到来自Hart协议其它设备(Hart调制解调器、Hart手操器)的通信信号时，软件进入中断处理程序。进入中断后，首先检查包头的数据特征帧和包尾的校验码，如果这些特征数据发生错误，变送器软件把包含错误信息的应答帧发送给与之通信的设备。在特征数据正常的情况下，进入下一部的判断，根据命令号选择进入不同的功能子程序。在各功能子程序中，完成对变送器的各种参数的设定。包括日期、传感量程种类、传感量程代码、主变量单位、主变量报警选择、温度补偿数据、线性化数据、标记(6字节)、描述符(12字节)、信息(24字节)、主变量上限、主变量上限、阻尼、主变量电流零点、主变量电流量程、传感器量程上限、传感器量程下限、正向量程比、反向量程比等参数。 同时，除完成对变送器各参数的设定外，也把智能变送器的测量结果传输给与之通信的设备。 子程序完成相应的功能后，返回一帧应答信号，发送给与之通信的设备。然后变送器软件才从中断返回到主程序。
权利要求
一种硅电容智能压力/差压变送器，其特征在于，包括硅电容压力传感器、时间数字转换电路、单片机、存储器、智能显示单元、D/A转换部分及Hart协议处理电路；所述硅电容压力传感器用于将外界压力变化信号转换为电容变化值；所述时间数字转换电路的输入端与所述硅电容压力传感器的输出端相接，其对硅电容压力传感器进行周期性的充放电并记录充放电时间，然后将所述充放电时间转化为数字信号；所述单片机的信号输入端接时间数字转换电路的信号输出端；所述单片机的信号输出端分别接存储器、智能显示单元、D/A转换部分及Hart协议处理电路的输入端；所述单片机接收时间数字转换电路采集的压力信号，并对其进行运算处理；所述存储器用于存储预设参数；所述智能显示单元用于显示工作信息；所述D/A转换部分将测量结果转化为模拟量后控制整个电路部分的电流分配；所述Hart协议处理电路将输入的Hart协议通信信号进行解调并转换为单片机串口通信信号，再将单片机的串口输出信号进行相应的调制。
2. 根据权利要求1所述的硅电容智能压力/差压变送器，其特征在于所述单片机内 配有温度传感器，以实时测量硅电容压力传感器的温度。
3. 根据权利要求1或2所述的硅电容智能压力/差压变送器，其特征在于所述单片 机与存储器、智能显示单元及时间数字转换电路通过SPI总线进行数据交换。
4. 根据权利要求3所述的硅电容智能压力/差压变送器，其特征在于所述Hart协议 处理电路包括Hart协议芯片、输入解调部分及输出调制部分；所述输入解调部分的输出端 接Hart协议芯片的输入端；所述Hart协议芯片的输出端接输出调制部分的输入端。
5. 根据权利要求1或2所述硅电容智能压力/差压变送器的测量方法，其特征在于，依 次按如下步骤实施(1) 从存储器中调取数据；(2) 将所采集的数据进行A/D转换；(3) 进行电流控制；(4) 将步骤(3)得到的测量结果进行D/A转换；(5) 将步骤(4)所得结果进行数据输出。
6. 根据权利要求5所述硅电容智能压力/差压变送器的测量方法，其特征在于所述 步骤(3)中的电流控制依次包括电流微调、调整放大倍数及线性化。
7. 根据权利要求5所述硅电容智能压力/差压变送器的测量方法，其特征在于在所 述电流控制后接续进行温度补偿。
全文摘要
本发明属压力/差压变送器领域，尤其涉及一种硅电容智能压力/差压变送器及其测量方法，包括硅电容压力传感器、时间数字转换电路、单片机、存储器、智能显示单元、D/A转换部分及Hart协议处理电路；所述时间数字转换电路的输入端与所述硅电容压力传感器的输出端相接；所述单片机的信号输入端接时间数字转换电路的信号输出端；所述单片机的信号输出端分别接存储器、智能显示单元、D/A转换部分及Hart协议处理电路的输入端；所述单片机内配有温度传感器，以实时测量硅电容压力传感器的温度；所述单片机与存储器、智能显示单元及时间数字转换电路通过SPI总线进行数据交换。本发明结构简单，成本低廉，测量信号精确，稳定性高。
文档编号G01L9/12GK101726389SQ20081022847
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者何方, 呼浩, 王松亭, 袁峰, 马超 申请人:沈阳仪表科学研究院