基于HART协议的精度高单晶硅压力变送器

摘要：微电子机械加工系统技术的日趋成熟为传感器行业带来一场新的革命。具有稳定性的单晶硅传感器在压力测量方面运用，打开了压力变送器的市场。单晶硅压力传感器检测外界压力，电子电路采集与压力成对应关系的电压信号，软件温度补偿及线性校正，并将将压力转变成4～20mA电流信号输出，基于HART协议通信，实现参数修改及过程控制。单晶硅压力变送器的精度高、稳定性高、低温度影响、超高过压等优异性能，适用于工业过程控制、自动化制造、航天航空、汽车与船舶、医疗卫生等众多领域。
       传统电容式压力传感器因其结构特性，改进空间有限，而随着单晶硅传感器技术的发展，对相关技术的掌握，开拓了压力变送器的市场，其外形如图1所示。

       单晶硅压力变送器采用单晶硅压力传感器芯片，被测压力直接作用于单晶硅传感器的隔离膜片上，使膜片产生与压力成正比的微位移，通过硅油传导至单晶硅传感器芯片上，使传感器对应于所传入的压力输出一个相对应的差分信号，由微处理器内部的精度高AD模块放大转换成数字量，并且通过单晶硅压力传感器内部集成的温度传感器采集温度用于温度非线性补偿，以及专用通信芯片构成HART通信电路，在软件程序的支持下完成所需的测量及通讯任务。压力信号处理后输出与单晶硅压力传感器所对应的压力成线性关系的标准4～20mA输出的电信号，并且符合HART协议通讯，实现参数设定及过程控制。
1压力变送器硬件设计及实现
1.1硬件原理设计
       被测介质的压力作用于单晶硅压力传感器上，通过信号检测电路将其转换为直流电信号，通过信号调理转换为一定幅度的电压信号，经A/D转换为数字量传送至MCU处理，压力及温度信号经微处理器的数据处理，程序运算，并经D/A转换以及HART通信电路处理，将压力及温度参数转换成所需要的4～20mA标准直流电流信号及符合HART协议的数字信号，并调制在二线制电流信号上，提供给用户使用，同时驱动LCD液晶显示器实时显示。在变送器电路中设置了专门用于存储传感器特征信息的存储器芯片，用于传感器出厂特征数据的保存实现关键参数冗余保护。如图2所示。

1.2单晶硅传感器模块
       单晶硅压力传感器内部封装的传感器芯片的本质将决定最终产品的性能与等级。本文中的传感器采用的MEMS技术制成的稳定性高单晶硅传感器芯片，悬浮式设计，内嵌测压膜盒与信号处理模块，使信号具有一致性，减少装配应力引起的误差，具有稳定性。单晶硅压力传感器的输出灵敏度高、信号量大，并且电路设计较为简洁可靠，与传统金属电容式传感器相比较，具有很好的回差特性，线性误差曲线的回差极小，基本可以忽略不计。单晶硅压力传感器内部集成有随温度线性变化的二极管，测量温度用于温度补偿参考，可在大范围内的静压和温度下提供测量精度和稳定性。
1.3信号处理模块
       智能压力变送器信号处理模块主要由MCU微处理器、A/D转换、D/A输出、存储器等部分组成。
       选用一款具有超低功耗功能强大的单片机，具有丰富的片上外围模块、强大的运算处理能力、中断资源多，开发方式方便高效。MCU内含一个24位精度高Σ－Δ型ADC，信号单端/差分输入，内部1.2V基准电压源，适用于传感器信号转换处理。精度高AD将传感器模块检测输出的模拟电信号转换为数字信号，交由MCU芯片处理，主控芯片完成线性化，温度补偿等相关计算功能后，相关的AD值，PV值等数据存放在存储器中，由HART信号实现同上位机的通信和数据交换，并且通过LCD液晶屏就地显示。
       4～20mA转换输出选用了低功耗、精度高的D/A转换芯片AD5421。4～20mA电流环的16位DA转换器，与HART协议兼容，并且具有可编程的报警电流输出，在两线制智能变送器中是一个非常理想的电流环芯片，满足智能变送器的工业控制标准信号输出。
1.4HART通信模块
       HART协议通信模块主要由HART调制解调芯片和D/A转换器AD5421及其外围电路实现。采用低功耗的AD5700作为HART调制解调器。芯片内部集成了符合Bell202标准的调制器、解调器、接收滤波器、发送信号整形电路、载波检测等电路便于构建满足HART协议物理层。
2压力变送器软件设计及实现
2.1软件功能设计
       软件由任务分配引擎、中断系统处理、硬件驱动程序、HART协议栈、HART任务处理、AD/DA任务处理、干簧管按键处理模块组成，如图3所示。

       任务分配引擎以5ms的定时器中断为时间基准，进行任务的执行分配，然后将对应数据进行综合处理后，显示在液晶面板、存储于铁电存储器以及进行HART数据传输。基于软件模块框图的主函数流程示意图如图4所示。

软件功能主要分为三个部分：
1）压力以及温度信号的采集、处理和变送；
2）HART通信，进入中断，识别和响应通信信号，包含数据链路层、应用层和层间接口等部分程序；
3）LCD液晶显示，按键就地调零、数据读取及存储等。
2.2软件温度补偿算法
       用于压力测量的传感器，因其材料的固有特性，普遍存在着温度漂移和非线性等问题。为了实现输入与输出的线性化，要对采集的数字信号进行温度补偿与校正，而补偿方法及校正技术的选择直接决定变送器的输出精度及可靠性。
       针对温度影响，采集传感器输出数字信号，运用MATLAB对大量的数据样本仿真建模，发现单晶硅压力传感器输出值误差随着环境温度取样点和输入压力取样点的变化，呈现非线性曲面特征。对比分析各种数值分析方法，找到一种智能算法结合自主开发的自动温度补偿软件平台，很好地解决此类问题，此算法能够根据散乱数据点发现和保持曲面的本质结构和特征，样本数据量小，计算不复杂。对原始数字信号，经过温度补偿算法输出修正温度影响后的数字信号，进入非线性校正即可实现将数字信号转换成压力值。此算法精度高且具有普遍适用性。
2.3软件非线性化处理
       在常温25℃情况下，采集量程的0％、25％、50％、75％、100％共5压力点的AD值，采用分段线性的方法标定，实现AD数字量转换出对应压力物理量。其他温度点的AD码值需先经温度补偿修正后为新的AD值，然后将此AD值转换成对应的压力值输出。如图5所示。

3测量结果分析
       本文选取压力测量范围为：0～200kPa，工作温度范围为－20～70℃。由以上实验数据可以看出，单晶硅压力传感器本身良好的稳定性加上创新的软件温度补偿算法，最终测量结果具有很高的精度，达到全温度范围全量程范围内满足0.075％的精度，完整修正了温度的影响。如表1所示。

4结束语
       介绍了单晶硅压力变送器，融入创新的温度补偿算法，实现单晶硅压力传感器稳定性高、精度高输出，其精度等级达到了等级的0.05级，其部分性能甚至越过了国外发达国家的变送器水平。现场总线HART协议的使用，可以实现现场设备数据的修改及远程控制的智能化，拓宽了公司产品系列，增强了市场竞争力。