摘要:針對傳統無(wú)線(xiàn)壓力變送器硬件控制電路功耗高的問(wèn)題，設計了一種新型低功耗無(wú)線(xiàn)壓力變送器采集電路系統。建立以ARM 微控制器為核心的無(wú)線(xiàn)壓力變送器采集電路系統，解決了硬件控制電路功耗高的問(wèn)題，實(shí)現了對壓力信息的實(shí)時(shí)傳輸監測。該系統主要包括STM32L 處理器、壓力采集模塊與GPRS 無(wú)線(xiàn)通信模塊，具有高精度、低功耗、速度快和無(wú)線(xiàn)傳輸等特點(diǎn)。
0 引言
目前，無(wú)線(xiàn)壓力變送器已經(jīng)廣泛應用。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，為了能夠降低自動(dòng)化成本，提高自動(dòng)化系統的應用范圍，無(wú)線(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)成為了一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)。傳統的壓力變送器存在著(zhù)布線(xiàn)困難和電磁場(chǎng)的干擾，降低了壓力變送器的精que性和使用范圍。
壓力變送器在SF6斷路器中應用廣泛，需要用壓力變送器實(shí)時(shí)監測SF6壓力。針對傳統的壓力變送器靜態(tài)性能人工檢測效率低、精度差、可靠性不高和勞動(dòng)強度大等問(wèn)題。提出了一種基于STM32L 處理器、壓力采集模塊與GPRS 無(wú)線(xiàn)通信模塊的無(wú)線(xiàn)壓力變送器采集電路系統，實(shí)現了壓力信號的采集與傳輸。此壓力變送器具有高精度、低功耗、速度快和無(wú)線(xiàn)傳輸等特點(diǎn)，有效解決了傳統壓力變送器存在的問(wèn)題。
1 系統設計方案
無(wú)線(xiàn)壓力變送器主要由3 部分組成:采集模塊、數據管理模塊和GPRS 通信模塊組成。儀表的功能框圖如圖1 所示。采集模塊通過(guò)MPT570 壓力變送器采集目標區域的壓力值，并將處于休眠狀態(tài)的數據管理模塊喚醒，向它傳輸壓力信號。數據管理模塊主要負責將通信模塊喚醒，并將采集的數據傳輸給通信模塊，是無(wú)線(xiàn)壓力變送器的核心，所有的電池電量檢測、MPT570 壓力檢測、時(shí)間檢測、數據處理與數據存儲都在這個(gè)模塊的作用下完成的。GPRS 通信模塊將傳輸過(guò)來(lái)的數據，通過(guò)SIM900A 由短信的方式發(fā)送給用戶(hù)。
2 變送器的選擇
2． 1 微功耗壓力變送器
壓力變送器檢測被測物體的壓力，并將壓力信號轉換成電信號，通過(guò)信號處理后，由信息的方式傳送出去。綜合考慮低功耗、環(huán)境問(wèn)題、可靠性等條件，選擇MPT570壓力變送器。MPT570 是為工作電壓為2． 7 ～ 3． 6 V，需要輸出信號在0 ～ 3Vdc 的配套終端設備而設計的產(chǎn)品，信號處理電路采用高性能的MCU 及高精度的ADC和DAC，可以長(cháng)期穩定在0． 5 %F·S 以?xún)裙ぷ�，�?zhuān)用的數字信號處理電路wuxu電位器調節，通過(guò)程控器就能方便的對其零點(diǎn)和滿(mǎn)程進(jìn)行校準、標定和量程的縮放，量程的縮放比例為5∶ 1。
2． 2 壓力測量原理
對于金屬材料或半導體材料，如果給它的一個(gè)面施加壓力或者拉力，其內部結構就會(huì )發(fā)生變化，影響導體電阻壓力率的變化，這種現象稱(chēng)為壓阻效應。為了得到比較高的靈敏度和比較小的零點(diǎn)輸出，在傳感器電路中應用惠斯通電橋，惠斯通電橋如圖2 所示。
R1，R3和R2，R4是壓阻系數符號不同的力敏電阻，初始條件下，R1 = R2 = R3 = R4 = R，此時(shí)電橋平衡，零輸入狀態(tài)下平衡，輸出電壓為0。
式中:Vs為輸出電壓;V 為輸入電壓。當彈性膜片受到外界壓力時(shí)，薄膜兩側出現壓差，使4 個(gè)電阻發(fā)生變化，電橋失去平衡。
式中ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4為有壓力時(shí)，電阻發(fā)生變化的值。
2． 3 壓力變送器工作原理
2. 3. 1 傳感器部分
傳感器采用的是彈性材料，依據不同的受力方式從而加工成環(huán)、梁、膜、片等不同的形狀，在彈性材料基體上刻蝕、粘貼或濺射4 個(gè)等值電阻，形成了一個(gè)惠斯通電橋，當彈性材料基體感受壓力后，電橋失去平衡，輸出一個(gè)與壓力成正比的電壓信號。
2. 3. 2 電路部分
(1)4 ～ 20 mA 輸出，二線(xiàn)制，采用V/I 轉換專(zhuān)用電路，具有高精度、高可靠、高穩定性等優(yōu)點(diǎn)，零點(diǎn)可自由遷移。
(2)0 ～ 3 V 輸出，三線(xiàn)制，采用儀表運算放大器，具有穩定性好、精度高、共模擬制比高、輸入阻抗高、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。
(3)程控變送器電路，可以對變送器的量程在20∶ 1范圍內任意調節。零位可以在50% 內任意遷移，消除了地域環(huán)境改變所產(chǎn)生的誤差。
3 采集電路設計
系統控制電路采用STM32L 系列ARM 內核32 位微控制器為主控制器。主控制器獲取壓力變送器采集到超過(guò)閾值的壓力輸入電平信號后，控制GPRS 模塊以向指定用戶(hù)發(fā)出報警信息。
3． 1 主控制器
通過(guò)整體考慮功耗、發(fā)射頻率、接收時(shí)間、芯片成本、耐用度等指標，系統控制電路主控制器采用了STM32L151C8T6。它基于高品質(zhì)的ARM Cortex － M3內核，內置128 K 閃存存儲器容量，工作頻率為72 MHz，具有很高性能和低功耗與工業(yè)級溫度范圍的特性。它應用了節能#優(yōu)化的架構與0． 13 μm 的STMicroelectronics 超低漏電生產(chǎn)工藝。STM32L 劃分了6 種工作模式，能夠讓它在不同的工作時(shí)間都能用#低的功耗來(lái)完成相應的任務(wù)。穩壓器為Vcore( 穩壓器輸出電壓) 域提供超低功耗電壓，用來(lái)保持寄存器和內部RAM 中的數據，并且通過(guò)相關(guān)函數的編寫(xiě)降低了內部參考電壓的功耗。硬件電路如圖3 所示。
3． 2 GPRS 通信模塊
GPRS 通信模塊作用:無(wú)線(xiàn)傳輸含有壓力、時(shí)間信息的數據至用戶(hù)移動(dòng)終端，并接收用戶(hù)移動(dòng)終端對其發(fā)出的系列指令。GPRS 模塊硬件電路圖4 所示。模塊包括SIM900A 模塊和SIM 卡，SIM900A 具有低功耗的性能，待機模式電流低于18 mA，休眠模式下的耗流為1． 0 mA。使用AT 命令“AT + CSCLK = 1”設置允許進(jìn)入SLEEP 模式，然后通過(guò)DTR 引腳來(lái)控制模塊進(jìn)入或者退出SLEEP 模式。當DTR 為高電平時(shí)，模塊處于待機狀態(tài)，也沒(méi)有其他中斷產(chǎn)生，模塊將自動(dòng)進(jìn)入SLEEP 模式。這種模式下，模塊仍能接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò )的呼叫和短消息。
4 系統軟件設計
系統軟件設計由主程序、GPRS 通信模塊、上位機等子程序共同組成。主程序設計為保證采集系統電路正常運轉。GPRS 通信模塊子程序設計為實(shí)現用戶(hù)與系統建立連接關(guān)系，并使報警信息與采集壓力數據在指定用戶(hù)之間發(fā)送與接收。
4． 1 采集模塊流程
采集模塊軟件流程圖如圖5 所示，它的運行過(guò)程為:上電，系統配置，A/D 轉換等初始化，完成后模塊進(jìn)入低功耗模式。當監測電池電量低于設定值時(shí)，直接向數據管理模塊發(fā)送數據;監測電量正常時(shí)，采集MTP570 監測的壓力大于閾值產(chǎn)生一個(gè)大于3． 2 s 高電平信號，直接發(fā)送到數據管理模塊;當壓力小于閾值，監測設定時(shí)間未達到規定時(shí)間，重新回到監測電量狀態(tài);時(shí)間達到規定時(shí)間，數據管理模塊通過(guò)串口接收采集模塊發(fā)送的數據。這樣，采集模塊完成一次數據采集。
4． 2 GPRS 通信模塊程序流程
當收到數據管理模塊發(fā)送的數據時(shí)，通信模塊從休眠模式進(jìn)入到正常工作模式。通信模塊shou先金行初始化，設置短信文本樣式，設置GPRS 字符集，編輯信息類(lèi)型，發(fā)送短信。維護人員接收到通信模塊通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò )以短信的形式送來(lái)的數據，流程圖如圖6 所示。
4． 3 上位機程序流程
上位機接收到GPRS 通信模塊以短信的形式發(fā)送來(lái)的采集數據，將數據進(jìn)行校驗，如果校驗成功則儲存數據，并通知采集模塊數據已經(jīng)正確接收，再將經(jīng)過(guò)算法處理后的數據發(fā)送至數據管理系統，同時(shí)也以短信的形式發(fā)給運行維護人員。數據管理系統對數據進(jìn)行儲存分析。流程圖如圖7 所示。
5 結束語(yǔ)
文中設計了一種基于低功耗無(wú)線(xiàn)壓力變送器采集電路系統，實(shí)現對壓力信號的實(shí)時(shí)采集。當壓力超過(guò)閾值時(shí)，及時(shí)報警，滿(mǎn)足對故障及早發(fā)現、及早排除的基本要求，具有反應速度快、精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)軟件設計解決了功耗問(wèn)題，延長(cháng)了變送器的使用周期，實(shí)現了工業(yè)現場(chǎng)數據無(wú)線(xiàn)傳輸。
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