基于ARM的智能差压记录仪的设计

徐　扬,汤　捷,唐传高（合肥工业大学　仪器科学与光电工程学院,合肥　230009）

基于ARM的智能差压记录仪的设计

徐扬,汤捷,唐传高
（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,合肥230009）

摘要：本文结合国内外差压测量设备和仪器的优点，提出适应工业信息化升级趋势的新型智能差压记录仪设计方案。该方案采用ARM芯片LPC1768作为主控芯片，艾莫迪差压传感器作为压力感知器件，结合文件系统和FreeModbus协议栈以实现差压记录仪的数字通讯和数据记录功能。

关键词：差压测量；ARM；文件系统；FreeModbus

智能差压仪表作为常见的计量仪表，它能够直接显示出工业生产中的各道环节的压力变化大小，观察产品和介质流程条件形成环境，实时监视生产运行中的相关安全动向[1]，并通过现场仪器网络反馈命令给传感或者自动连锁装置，构建了一道敏捷可靠的安全屏障。为保障人身和财产安全，防范事故发生起到了重要作用。因此，广泛应用在锅炉、除尘器、石油、化工、暖通空调、治金、电厂等场合的压力或差压/负压测量，实现过程自动检测，具有广阔的应用发展前景和市场需求。

1　测量方案的设计方案

目前市场上常见的各类压力检测仪表按工作原理分为液柱式、弹性式、负荷式和电测式等类型[2]。结合本文所设计的智能差压仪表的功能需求，从精度、体积、数字化改造难度和抗干扰性几个角度分析来看，液柱式虽然测量灵敏度高，但测液易受环境影响，而且难以进行数字化改造；弹性式与负荷式都是通过机械的应力形变来测量压力，这种方法依赖于机械结构的加工精度，而且多数体积较大。所以最终选用电测法作为该智能差压记录仪的测量设计方案。此方案具有结构简单，改进及升级简单，可扩展性好。并且由于此方案采用电子信号作为压力指示输出，所以进行数字化改造也会相对简单易行。传感器选择方面，考虑到可靠性和稳定性，所以需要从目前市场上电测式压力表常用的压电式、压阻式、振率式和电容式这四种压力传感器中选择。因此通过分析了这几种传感器信号处理难度和配套电路实现的复杂度后，最终选择了使用美国艾莫迪公司的G系列微压差硅半导体压阻式压力传感器。此传感器具有输出特性好，配套电路简单易实现的优点，并且在法国KIMO仪表公司的差压测量产品上有大量应用，可靠性和稳定性上也有保证。

2　硬件设计

硬件设计过程中，采用的是从传感器开始根据需求进行模块化设计的流程。首先由于传感器输出信号为16mV-20mV的直流微电压信号，不便直接进行信号处理而且分辨范围较窄。所以需要经过放大电路放大到合适的电压进入AD转换器进行转换，输出范围更宽的数学量再进行处理[3]。例如采用12位AD可以将外部压力0-1000Pa转换为0-4096个量级的数字信号，可以极大的提高传感器的分辨范围，同时采用有源放大电路放大信号还可以有效的提高信号的稳定性，提高整个仪器的稳定性[4]。在将外部差压信号转换为有效的数字信号后，需要考虑的是如何对数据进行处理。由于存在数字滤波，数据超限分析，以及数据定时存储，数字通讯等功能。如果采用普通的逻辑器件进行搭建，系统过于复杂，而仪器体积的限制也不予许这样做，所以我们需要功能强大的微控制器作为控制核心，完成以上提到的各项功能。另外例如数据显示，控制命令设置，历史数据储存等功能还需要各种外部器件配合微控制器才能实现。所以总结来说，该智能差压记录仪的硬件部分是以微控制器为核心的，配合传感器放大电路，外部数据储存器，数据显示模块，总线通讯控制模块等部分组成。

3　软件设计

软件部分，每种功能的实现实际上就是一个一个对应程序任务的切换响应。所以软件设计部分最重要的是根据任务的紧急情况设计每种任务的优先级大小，结合有限状态机理论设计出合适的整体任务切换机制。这样才能在每种功能都能实现的同时，保证更加紧急的任务得到快速响应[5]，实现外部命令的合理执行。

简单来说，程序分为初始化模块，数据测量模块，标志群及数据刷新模块，Flag事件响应模块四个部分协同处理实现。其中初始化模块完成系统时钟、ad模数转换器、rtc实时时钟、gpio接口、spi接口，各种定时器等硬件部分以及文件系统服务程序和协议栈等服务软件部分设置初始化。数据测量模块完成两项功能，一是用A/D完成传感器信号直流电压信号到12位数据的转换；二是对得到的数据进行数字滤波和转换计算得到可以直接显示的压力值。标志群及数据刷新模块完成各项任务标志位的置位及取消和各项任务所需的服务数据刷新。Flag事件响应模块对各项任务的标志位进行监视，当发现有任务需要执行时，进入对应的程序模块执行相关服务。以上四个大模块又包括了若干个子模块协同处理各项任务。

4　实验数据及结论

本差压记录仪需要实现的功能主要包括超限报警，数据定时记录，modbus通讯和时间设置功能。在实验室中，我们将微压计的输出口用乳胶皮管连接到压力计的艾莫迪差压传感器的输入端口上，通过作为标准的的微压计给我们的智能压力计加压，同时通过串口连接线将压力计与电脑连接。采用这样的方式，实验验证该差压计的功能。通过采用经过计量局标定的微压计作为标准源。对本差压计进行来回加减压，比对差压计的示数与微压计示数。收集数据制作散点连接图，如下图。

差压仪最大误差出现在500pa的测量值附近，为4.0Pa，产品设定时要求最大误差不大于最大量程的0.5%。实验数据表明，该差压记录仪满足产品设定要求。另外通过测量数据的散点连接图说明了我们的压力计具有良好的线性特性。

参考文献：

[1]冯向东.浅析压力表产业的现状及发展[J].中国电子商务,2011,18(03):73-74.

[2]袁克萍.压力表选用、使用及标准器的选型[J].科技信息,2008,28(21):189-192.

[3]陈群欣.半导体压阻式压力传感器信号调理的研究[D].厦门大学,2012. [4]艾玲.基于MSP430单片机的数字式压力表的设计与实现[D].东北大学,2013.

[5]王妮.基于单片机的数字式压力测量仪的研究[D].西安科技大学,2013.