工业无线的单晶硅压力变送器

摘要:在工业过程自动化现场往往存在布线困难,人员无法到达,电磁干扰强,空间复杂等特点,尤其是油气化工行业，需要一款满足工业现场使用的无线精度高压力变送器对压力、液位的测量与监测,将工业无线通信技术与精度高单晶硅压力测量技术相结合,通过24位高精度A/D采样、线性拟合、温度补偿、滤波算法等流程实现平滑的高精度压力测量,采用电池供电并考虑工业现场防爆要求,在满足工业现场对低速率、成本敏感、局域覆盖、数据量小、长电池寿命的工业现场无线局域网络监控需求的基础上,开发一种满足工业无线通信标准的精度高压力变送器。可以提高工业现场压力测量的信息化、数字化管理水平,大幅降低运维成本,工业无线压力变送器有广阔的应用前景。
0引言
　　现代工业自动化领域应用加速向信息化、数字化、高实时性、大数据的工业物联网方向快速发展,工业领域内各行业对无线传感器网络设备的应用需求将会越来越普及。工业无线技术有着低成本、效率高、可靠性高、铺设便捷等巨大的优势,在工业现场监测领域得到了广泛应用。相对传统的两线制、四线制工业总线传输的压力变送器而言，压力变送器是以无线通信方式接入可控的局域网络,结合PC运行的强大的DCS服务端数据分析和管理软件,对无线压力变送器实施无人远程实时监控,工业无线通信技术选择具有我国自主知识产权、满足离散工业现场需求的无线通信网络。通信技术具有高可靠性，高抗干扰能力、较低成本，超低功耗的无线Mesh局域网络,非常适合离散工业过程自动化及工厂信息化领域的应用现场[4)，尤其是油气、化工和罐区等应用场景。
1工业无线变送器特征
　　离散工业现场应用要求工业无线变送器采用符合防爆国家标准(GB3836)允许的锂亚硫酰氯电池供电，测量精度高达满量程的0.05%/FS,支持通过磁隔离按键和通信方式对无线变送器参数进行设置,防护等级达到IP67,满足国家防爆性能,无线网络遵循无线通信协议标准。一个无线网络是由无线网关和多个无线设备组成,无线网关支持100个设备接入网络的能力,实际应用中为了有更好的实时性推荐一个网络不超50个设备,数个无线局域网络可通过以太网、工业总线、4G/5G通信扩展形成大规模数字化网络。无线网络属于Mesh网络,无线设备同时具有路由跳转功能,通用物理层射频芯片可以有效控制成本和物料采购,整个网络采用统--的时间片同步管理,最大化的平衡了休眠和运行占空比，符合电池供电方式的低能耗特点,满足油气化工行业的离散工业监测、工厂数字化场景应用要求的低速率、低成本、局域覆盖、小数据量的工业无线网络。
　　无线压力变送器将采样的单晶硅压力传感器数据经过模数转换、线性处理及补偿转换为2.4GHz无线信号接人支持标准协议的无线网关中,无线网关负责整个无线网络的节点设备管理和网络维护,无线网关通过以太网或RS485接口遵循modbus或OPC等工业应用层通信协议接入当地DCS系统。
一个工业无线网络主要由以下部分组成:
·无线节点设备:工业无线压力变送器，安装在离散工业现场。
·无线网关:负责无线通信网络的设备管理和响应DCS系统或上位机数据读写请求。
·DCS系统或上位机:上位机是用户、网络管理及维护人员与通信网络交互的平台,用户可以通过上位机网络管理软件对通信网络进行配置及与终端设备进行数据信息交互,工业现场--般是DCS系统。
2变送器硬件设计
　　工业无线变送器硬件设计要满足低功耗运行、精度高测量、无线通信和防爆要求。硬件框图如下。
 
2.1供电电路设计
　　无线变送器采用电池供电,为了满足防爆和无线射频发射的要求,需要对供电电路采用过流、过压、功率限制等保护，同时也要满足射频信号发送的最大功率要求[8]。电池采用锂亚硫酰氯材质，标称3.6V.dc,容量19Ah锂亚硫酰氯电池,最大开路电压是3.76V,短路电流是1.86A,内阻是2.31Ω,最大峰值电流400mA,可持续最大输出230mA电流;无线压力变送器整机最大电流经计算约168mA,电池满足变送器的供电能力,在电池输出端并联两个齐纳二极管做限压保护,考虑到保险丝熔断过程与无线变送器最大发射电流持续时间的时间差,串联150mA熔断式保险丝做功率限制,再串联5.1Ω/10W的功率电阻做限流保护，可以满足本设计的防爆应用需求。电源分两部分分别为仪表主电路和模块供电,一路由模拟器件搭建恒压源给变送器主电路供电,保证主板稳定运行和传感器高精度采样。另一路经过MCU控制的PMOS管开关电路为模块供电，这样可以保证电源的低功耗和高效率。
2.2采样主板电路设计
　　无线压力变送器主板电路包括单晶硅压阻式传感器、24位高速高精度A/D采集电路、温度在线补偿电路、人机输人及数显电路、EEPROM存储电路及外部时序监控电路。采用激光焊技术将单晶硅SENSOR晶圆封装于充满硅油的金属膜片中组成了压力传感器,施加恒流电流的压力传感器桥电路受物理挤压会产生微弱毫伏电压变化信号,经精度高、低温漂的放大电路整形、跟随、放大、滤波、温度补偿、A/D转换成数字信号,将数字信号通过最小二乘法五阶线性拟合和温度补偿计算得到准确的压力数据";人机输人及数显电路提供3个磁隔离按键和一个低功耗LCD,通过磁按键可进行无线压力变送器的参数设定和工作方式切换,LCD用于显示被测数据、故障信息和工作方式，磁按键的功能也可通过无线通信的方式进行设置。所有器件的选型要兼顾低功耗、性价比高的特点,符合批量生产的要求。
2.3通信模块通信接口
　　无线通信模块选用ZANW900，它由符合IEEE802.15.4标准的无线射频芯片CC2520和超低功耗单片机组成,射频前端包含了功率放大器PA和低噪声放大器LNA,发射功率最大20dbm,接收灵敏度可达一102dbm,在空旷无遮挡的情况下通信距离室外能达到1000米,室内可达300米，模块采用先进的网络时间片管理和低能耗管理技术,休眠最小电流约为1μA。无线模块通过TTL电平的异步串行接口UART与变送器的MCU进行数据交互。
3变送器软件设计
　　无线压力变送器软件运行流程包括采样与控制(采样、控制、智能化数显按键等)、低功耗调度、通信三大任务。
 
3.1采样与控制任务
　　采样任务主要实现对传感器模拟信号的采集、滤波、处理、算法分析，通过相关算法实现采集信号的稳定准确计算。输出当前压力值给控制任务模块和LCD数显模块;控制任务模块响应来自按键、无线网络、标定上位机的相关数据交换、参数传递,实现对仪表的量程上下限、阻尼滤波，压力最小测量范围、零点偏移量及传.感器上下限的标定和对比;以及网络PANID设、信道、组号表号、数据更新率的设置。
控制任务主要实现子任务单元块的合理分配资源与时间以兼顾高效运行和低能耗特点,同时监视整机运行的智能化诊断功能;智能化诊断功能实现压力、温度多变量监测与补偿、过程状态监测与诊断。软件内存设置有状态判断数据表和报警信息表,对软件各单元模块周期性的巡检关键测量信号,并与内存设置的状态数据表相比较,判断仪器的工作状态是否超出边际，当有异.常状态发生或预判到可能导致异常发送时,置位对应的报警信息,通过LCD、无线通信的方式发出诊断异常预警信息，实时采样被测压力变化、传感器温度和电路主板温度,利用最小二乘回归算法计算出压力传感器的五阶温度补偿系数,实时连续的采样数据汇集到一个数据缓冲池中,通过中值滤波和卡尔曼滤波算法确保测量值的正确性和平滑性。
3.2低功耗调度任务
　　对于电池供电设备来说,节能长寿命是非常重要的指标，所以低功耗调度任务需要做到微安级别的功耗控制，平衡工作与休眠模式的高效切换,有效调配各个电路单元、MCU各外设资源、软件子任务块时序等在有效的时间内完成各自任务后就进人休眠模式。无线网络是采用时间片同步的无线网络,无线压力变送器人网后在其固定的时隙工作,在无任务的时隙中进人休眠模式,休眠时在固定的时间片进行快速网络同步,所以在休眠模式下也不会掉线;当无线压力变送器通信间隔大于10min/次时，可以关掉通信模块电源起到最大化降低功耗作用;当要求通信频率较高时，模块待机模式唤醒更快且不掉线,因为重新启动射频时功放全开搜网,人网等待时间受网络规模和信号强度影响电量消耗较大，所以要根据现场应用需求做合理的网络调度机制。
3.3无线通信任务
　　变送器上电后MCU对通信模块进行初始化配置，侦听相同网络号、信道的无线网关广播帧并申请加人网络,如加人不成功则休眠30分钟后再次侦听,加入无线网络成功后,变送器就处于网络时钟同步的时隙工作周期中,这个时隙周期被分成150个时间片,每个时间片被分派给一个无线变送器的通信时隙,无线数据发送间隔是由用户通过按键或通信方式自定义设置的传输间隔决定的，通过低功耗定时器唤醒变送器执行采用和无线通信任务,无线通信任务主要包含两部分,即用户数据传输和用户数据接收,用户数据传输是将用户采集的数据打包成通信模块可识别的HDLC帧格式的数组,通过串行通信接口传输到通信模块,数据先加人通信模块缓冲中，等待通信的时间片到达后以无线电磁波的方式发送出去,同样当无线网关要向通信模块发送数据或命令时，也是轮到此变送器的时间片到达后再发送,变送器MCU接收到通信模块的串行HDLC格式数据后,对HDLC帧格式的数组进行拆包并奇偶校验,提取出用户数据,这就是用户数据接收过程。变送器的工作时间片过后就进人短暂休眠状态直到下一个时隙周期到达后唤醒。
4测试验证
　　工程样机软硬件设计完成后，按照如下测试方法进行精度和网络测试验证。
 
　　待测无线变送器与压力计和压力发生器连接,由压力计和压力发生器提供高精度的压力被测源,先进行满量程测量范围内的压力标定,标定后就可以进行高精度的实际测量。无线网关上电并通过以太网连接电脑,WIA控制台组图软件从无线网关读取到人网的无线变送器数据如下图4,无线变送器符合工业无线标准协议。
 
　　经过压力计、无线变送器及WIA控制台软件的数据进行标定并对比计算,在测试过程中压力计加压300kPa测量精度可以达到0.04%,高于0.05%的目标。本无线压力变送器设计使用了先进的单晶硅压力传感器、高可靠性的电子电路设计、精密的温度补偿和线性补偿，有效保证了产品的精度高、稳定性好,可用于液体、气体压力和液位的测量。
5结束语
　　通过采用24位精度高A/D采样、低温漂设计方法结合二乘法五阶线性拟合和滤波算法计算实现了压力的高精度测量,集成了符合工业无线标准协议的通信技术到压力变送器;充分考虑了离散工业现场对低功耗、低速率、局域覆盖、精度高测量、工业防潮防爆等要求,从硬件和软件两方面展开了描述,该无线变送器设计可以满足离散工业现场对过程压力测量、液位测量的无线远程监测。