基于网络的智能精密压力传感器原理与应用

基于网络的智能精密压力传感器原理与应用

1 引言

最近，美国霍尼威尔(Honeywell)公司先后推出了PPT系列、PPTR系列和PPTE系列可实现网络化的智能精密压力传感器。这些传感器将压敏电阻传感器、A/D转换器、微处理器、存储器(RAM、E 2PROM)和接口电路集于一身，不仅达到了高性能指标，还极大地方便了用户。这些产品可广泛用于工业、环境监测、自动控制、医疗设备等领域。

2 PPT、PPTR系列压力传感器

的性能(1)PPT系列传感器采用钢膜片，带RS-232 接口，传感器距离不超过18m，适合测量快速变化或缓慢变化的各种不易燃、无腐蚀性气体或液体的压力(即表压)、压差及绝对压力，测量精度高达±0.05％(满量程时的典型值)，而过去的集成压力变送器最高只能达到±0.1％的精度。PPTR系列产品带RS-485接口，传输距离可达几千米，它采用不锈钢膜片，能测量具有腐蚀性的液体或气体，测量精度为±0.1％。

(2)它属于网络传感器。构成网络时能确定每个传感器的全局地址、组地址和设备识别号ID地址，能实现各传感器之间、传感器与系统之间的数据交换和资源共享，用户可通过网络获取任何一个传感器的数据并对该传感器的参数进行设置，所设定的参数就保存在E2PROM中。

(3)能输出经过校准后的压力数字量和模拟量，它既是一个精密数字压力传感器，又是一个模拟式标准压力传感器，模拟输出电压在0～5V范围内连续可调，可作为标准压力信号源来使用。用户不用主机即可获得模拟输出。

(4)可通过接口电路与PC机进行串行通信，一台PC机最多可挂接89个传感器。串行通信时有7种波特率可供选择，最高达28800bit/s。上电后默认的波特率为9600bit/s。数字格式为1个起始位、8个数据位、1个停止位。

(5)有12种压力单位可供选择，包括国际单位制Pa(帕)、非国际单位制P0(大气压)、bar (巴)、mmHg(毫米汞柱)等，基本压力电位是psi(磅／平方英寸)。量程从1psi到500psi(即 6.8946kPa～3.4473MPa)，总共有10种规格。

(6)利用内部的集成温度传感器来检测传感器温度并对压力进行补偿。测温误差小于0.5℃。

(7)电源电压的范围是5.5～30V，工作电流为15～30mA，工作温度范围是－40～＋85℃。

3 工作原理

3.1 引脚功能
PPT、PPTR系列智能压力传感器的外形尺寸均为24.8mm×62.2mm。它有两个压力口P1和P2，以PPT系列为例，P1口适合接不易燃、无腐蚀性的液体或气体，P2口只能接气体。6芯插座上的第1脚为RS-232接口的正端，第2脚为负端。第3脚为外壳接地端(GND)，第4脚为直流电源输入端(U S)，第6脚为模拟电压输出端(UO )。PPTR系列插座上的A～F依次对应于1～6脚，区别仅是A、B脚分别为RS－485接口的正端、负端。为了降低噪声，做模拟输出时需要单点接地，应将电源地、测量仪表(如数字电压表)的参考地，直接连传感器的信号地。

3.2 工作原理
PPT智能压力传感器的内部框图如图1所示。主要包括8部分：①压力传感器；②温度传感器；③16位A/D转换器；④微处理器(umP)和随机存取存储器(RAM)；⑤电擦写只读存储器(E2PROM)；⑥RS-232(或RS-485)串行接口； ⑦12位D/A转换器(DAC)；⑧电压调节器。下文中除具体说明系列号以外，所有PPT、PPTR系列均用PPT表示，并简称为PPT单元。

PPT单元的核心部件是一个硅压阻性传感器，内含对压力和温度敏感的元件。代表温度和压力的数字信号送至 mP中进行处理，可在-40～＋85℃范围内获得经过温度补偿和压力校准后的输出。输出形式见表1。在测量快速变化的压力时，可选择跟踪输入模式，预先设定好采样速率的阈值，当被测压力在阈值范围内波动时，采样速率就自动提高一倍。一旦压力趋于稳定，又恢复正常采样速率。 PPT还具有空闲计数功能，在测量稳定或缓慢变化的压力时，可自动跳过255个中间读数，延长两次输出的时间间隔。此外，它还可设定成仅当压力超过规定值时才输出或者等主机查询时才输出的工作模式。为适应不同环境，提高PPT的抗干扰能力，A/D转化器的积分时间可在8ms～10s范围内设定。

PPT能提供三级寻址方式。最低级寻址方式是设备识别号ID。该地址级别允许对任何单个的PPT进行地址分配，ID的分配范围是01～89。00为空地址，专用于未指定地址的PPT。因此，一台主机最多可以配89个PPT。若某只PPT未被分配ID地址(或ID未被存入E 2PROM中)，上电后就分配为空地址。第二级寻址方式为组地址，地址范围是90～98，共9组。通过ID指令，每个PPT都可以分配到一个组地址，允许主机将指令传给具有相同组地址的几个PPT。组地址的默认值为90。最高级寻址方式为全局地址，该地址为99。主机通过串行口可连接9组总共89个PPT。

4智能压力传感器的应用

4.1 PPT模拟输出的配置
单独使用一个PPT，能代替传统的模拟式压力传感器。其最大优点是不需要校准即可达到高精度指标。PPT模拟输出与测量仪表的接线如图2所示。用户既可通过数字电压表(DVM)读取压力的精确值，亦可利用模拟式电压表(V)来观察压力的变化过程及变化趋势。对PPT进行设置后，它还能在传送压力数据的同时，接收来自控制处理器的阀门控制信号，以实现压力自动调节，这对于压力测控系统非常有用。阀门控制数据可以和压力数据无关。

4.2 远程模拟压力信号的传输与记录
PPT的模拟信号可直接送给记录仪来记录压力波形，但在远距离传输模拟信号时很容易受线路干扰及环境噪声的影响，还会造成信号衰减。为解决上述问题，可按图3所示，在终端增加一个PPT。首先由PPT1发送压力数据，然后远程传输给 PPT2，再将PPT2的模拟输出接记录仪。这种方法适用于RS-485接口，传输距离可达数千米。若采用带RS-232接口的PPT系列传感器，需增加驱动器和中继器。该方案的另一优点是传输速率快，当波特率选28800bit/s时，数据传输所造成的延迟时间不超过2ms。

4.3 PPT与主机的接线
PPT与主机的接线如图4所示。图中的D9、D25 分别代表主机上的9针和25针插座。

4.4 RS-485多点网络
RS-485网络是以主机为起点、以距主机最远端为终点，它采用多点网络结构，亦称星形网络结构。这种网络不仅传输距离远，而且在不断开网络的情况下即可增、减PPT的数目。RS-485最多只能连接32个PPT单元，利用中继器可扩展到89个 PPT单元。在RS-485的始端与末端，需分别并联一只120Ω的电阻作匹配负载。

具有6个PPT单元的RS-485多点网络如图5所示。在该网络中，各PPT单元的ID地址可以不按照顺序排列。下面通过一个例子来介绍传输全局地址及分配组地址的过程：

(1)首先传送全局指令*99WE和*99S＝00001234，这将使ID号为＃00001234的PPT单元在下一条指令之前指定自己的ID号，并做好接受新指令的准备。然后传送*99WE，*99ID＝02， *02WE和*02SP＝ALL指令，完成设备ID的地址分配。只要在RS-485网络上重复上述过程，即可完成ID地址的分配工作；

(2)分配组地址：一旦设置好设备的ID，即可进行组ID的分配。同一组中的每个PPT单元必须有一个始于01的子地址。子地址将告知每一个 PPT单元在组地址指令中的响应顺序。若要设置设备ID＝02的组地址为91，子地址01，可传送下述命令：*02WE，*02ID＝9101，*02WE，*02SP＝ALL。当第一条指令传送到第91组时，ID＝02 的单元就会第一个做出响应。