（控制理论与控制工程专业论文）网络化石油管道压力表的研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名： 曼之班 p f f 年多月日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文 编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向 社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 ， 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名：晏声丝 垆1 1年莎月心日 指导教师签名：却 硼1 1 年参af 甬 江苏大学硕士学位论文 摘要 目前国内油品行业中使用的仪表特别是压力表，组网一般都采用 r s 4 8 5 m o d b u s 有线组网。传统有线组网在传输时会受到很多的限制，当进行 通信时，必须用一条数据线把两个设备连接起来，很多情况下，这种连接布线 是比较困难的，因为布线时可能经过高温高压、腐蚀和野外恶劣环境，在这种 情况下就必须绕过这些恶劣的环境。针对以上情况，本文提出了将一部分布线 用无线来代替，在有线布线难以实现的场合利用无线来代臂有线数据的传输的 方法。 本文首先通过分析压力表的工作环境及原理，根据压力表的功能与性能指标 完成了压力表的总体设计。第一，以m s p 4 3 0 单片机为压力表的核心，设计了电 源电路、压力和温度信号采集调理电路、存储电路、按键和通信等电路。第二， 针对温度对压力传感器存在影响这一具体问题，本文采用了b p 神经网络算法对 其进行数据融合，融合结果表明测量精度得到了提高，满足了高精度的应用场合。 第三，采用r s 4 8 5 和无线射频n r f 9 e 5 技术混合组网，提高了布线的灵活性，可 以适应不同场合的复杂恶劣环境。最后采用v b 6 0 构建数据管理平台，实现了对 压力表的标定、参数设置、数据上传、显示、通信等功能，并使用m a t l a b 编程技 术，完成了数据融合算法。 该方法设计出的压力表具有成本低、精度高的特点，并且软硬件设计简洁， 功能全面。上位机操作简单方便，压力补偿效果明显，具有广泛的应用前景。 关键字：m s p 4 3 0 f 4 2 5 ，r s 4 8 5 ，压力表，温度补偿，无线传输 网络化石油管道压力表的研究 江苏大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h ed o m e s t i co i li n d u s t r y , e s p e c i a l l yp r e s s u r eg a u g e s a r eg e n e r a l l y u s e dr s 4 8 5 m o d b u sw i r e dn e t w o r k ，t h eu s eo ft r a d i t i o n a lw i r e dt r a n s m i s s i o nl i n e w i l lb eal o to fr e s t r i c t i o n s w h e nc o m m u n i c a t i n g ，y o um u s tu s eac a b l et oc o n n e c t t h et w od e v i c e s i nm a n yc a s e s ，t h i sc o n n e c t i o nw i r i n gi sd i f f i c u l t ，b e c a u s ew i r i n g m a ya f t e rh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e ，c o r r o s i o na n do u t d o o r e n v i r o n m e n t s ， w em u s ta v o i dt h e s ee n v i r o n m e n t s i nv i e wo ft h ea b o v es i t u a t i o n ，u s i n gw i r e l e s st o r e p l a c ep a r to fc a b l i n g ，a n du s i n g w i r e l e s st or e p l a c et h ed a t ac a b l ei nt h eo c c a s i o no f t h ec a b l ew i r i n gc a n n o ta c h i e v ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h ew o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dp r i n c i p l eo fp r e s s u r e g a u g e ，t h e nc o m p l e t et h ep r e s s u r eg u a g eo v e r r a l ld e s i g na c c o r d i n g t og a u g ef u n c t i o n a n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s f i r s t ，a d o p t i n gm s p 4 3 0a s t h ec o r e o ft h ep r e s s u r e g a u g e ，p o w e rc i r c u i t ，p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r es i g n a la c q u i s i t i o nr e g u l a t e c i r c u i t ， s t o r a g ec i r c u i t k e y sa n dc o m m u n i c a t i o n sc i r c u i t ，e t c a r ed e s i g n e d s e c o n d ，f o rt h e s p e c i a li s s u r et h a tt h et e m p e r a t u r eh a st h ei n f l u e n c eo nt h ep r e s s u r es e n s o r , t h eb p n e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h mo fi t sd a t af u s i o ni sa d o p t e di nt h i sp a p e r ，t h ef u s i o nr e s u l t s s h o w st h a tm e a s u r i n gp r e c i s i o nh a db e e ni m p r o v e d t om e e tt h ep r e c i s i o n a p p l i c a t i o n s t h i r e d l y , r s - 4 8 5a n dw i r e l e s sn r f 9 e 5h y b r i dn e t w o r k i n g a r ea d o p t e d ， t h er e s u l ts h o w st h a tt h ew i r i n gf l e x i b i l i t yr a i s e d ，i tc a na d o p tt od i f f e r e n to c c a s i o n s o fc o m p l e xe n v i r o n m e n t s a tl a s t ，v b 6 0b u i l dd a t am a n a g e m e n tp l a t f o r mi sa d o p t e d t or e a l i z et o g a u g ec a l i b r a t i o n ，p a r a m e t e r s e t t i n g ，u p l o a dd a t a ，d i s p l a y , c o m m u n i c a t i o n s ，a n do t h e rf u n c t i o n s a n dm a t l a bp r o g r a m m i n gt e c h n i q u e si su s e d t oc o m p l e t ed a t af u s i o na l g o r i t h m t h ep r e s s u r eg a u g ew h i c hi sd e s i g n e db yt h i sm e t h o dh a st h ea d v a n t a g e so fl o w c o s ta n dh i g hp r e c i s i o n f u r t h e r m o r e ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ni ss i m p l ea n d f u n c t i o n sa l ec o m p r e h e n s i v e p co p e r a t i o ni ss i m p l ea n de a s yw i t ht h i sm e t h o d i th a s ab r o a dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o n 网络化石油管道压力表的研究 k e y w o r d s ：m s p 4 3 0 f 4 2 5 ，r s - 4 8 5 ，p r e s s u r eg a u g e ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ， w i r e l e s st r a n s m i s s i o n i v 江苏人学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源l 1 2 课题背景和意义l 1 3 本课题所做的主要工作2 第二章网络化压力表总体方案设计一4 2 1 压力表要求与性能指标4 2 1 1 压力表功能4 2 1 2 压力表性能指标4 2 2 压力表设计5 2 2 1 压力表工作原理与硬件结构5 2 2 2 压力表软件功能划分6 2 3 压力表组网设计7 2 3 1 组网功能需求分析7 2 3 2 组网功能构成分析9 2 3 3 转发节点硬件系统构成分析9 2 3 4 转发节点软件系统构成分析l o 2 4 本章小结l o 第三章压力计硬件设计与实现1 1 3 1 传感器输出信号的预处理1 1 3 1 1 恒流源发生电路设计1 2 3 1 2 压力信号放大电路的设计1 3 3 1 3 温度信号放大电路的设计1 5 3 1 4 滤波电路设计17 3 2 单片机外围电路设计2 l 3 2 1m s p 4 3 0 的电源电路设计2 3 3 2 2 按键与液晶显示2 3 3 2 3 数据存储电路2 5 v 网络化石油管道压力表的研究 3 3 通信模块：2 6 3 3 1n r f 9 e 5 无线模块设计2 6 3 3 2r s 一4 8 5 通信模块设计2 9 3 3 本章小结3 0 第四章扩散硅压力传感器温度补偿技术及其应用3 l 4 1 温度特性产生的原因3 l 4 2 温度漂移补偿技术3l 4 2 1 温度漂移硬件补偿31 4 2 2 温度漂移软件补偿3 2 4 3 几种常见的软件补偿算法3 2 4 3 1 改进的多维回归分析法3 2 4 3 2b p 神经网络法3 3 4 4 本章小结3 5 第五章系统软件设计3 6 5 1 概j 苤3 6 5 2 下位机软件设计3 6 5 2 1m s p 4 3 0 开发环境简介3 7 5 2 2 主控程序设计3 7 5 2 3 数据采集程序设计3 8 5 2 4 按键程序设计3 9 5 3 通讯协议与实现4 l 5 3 1 有线组网通信协议4 2 5 3 2r s 4 8 5 数据的收发功能的设计与实现4 4 5 3 3 无线转发接收器之间的协议设计及实现4 6 5 4 上位机软件设计4 9 5 4 1 仪表检定模块设计51 5 4 2 数据管理模块设计5l 5 4 3 仪器设置模块设计51 5 5 本章小结- 5 2 v i 江苏大学硕士学位论文 第六章实验调试与数据分析：5 3 6 1 硬件电路介绍与调试分析5 3 6 2 数字滤波技术5 5 6 3r s 一4 8 5 数据发送与接收测试5 6 6 4n r f 9 e 5 无线数据发送与接收测试5 7 6 5 温度补偿和标定的数据处理5 8 6 6 本章小结6 0 第七章结论与展望6 l 7 1 全文总结6 l 7 2 后续工作与展望一6 2 致 射6 3 参考文献6 4 读研期间发表的论文一- 一6 7 v l l 网络化石油管道压力表的研究 v i i i 江苏人学硕+ 学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于实验室和上海亨骏自动化有限公司合作开发的石油管道压力 表，并且将压力表扩展为具有网络化功能的智能压力表。 1 2 课题背景和意义 石油是工业的血液，是世界各国经济发展所必需的重要能源。为确保石油 的稳定供应，一方面要从国外进口，另一方面可以利用发达的技术提高我国的 石油开采水平来满足我国的需要。在油的管道传输中，人们必须不断研制更为 精密的压力表来获得准确的压力资料。随着传感器技术、电子电路技术、计算 机应用技术和集成电路的飞速发展，不断出现了各种高精度的压力表【l l 。 r s 4 8 5 总线通信方式以其硬件接口简单灵活、性价比高、传输距离较远、 误码率低和抗干扰能力强等优点在工业控制中特别是中小型数据采集的控制系 统中得到了广泛的运用。在r s 4 8 5 组网时，经常使用m o d b u s 通信协议。m o d b u s 通信协议的开放性、可扩充性和标准化使得它成为一种通用工业标准。根据该 协议，不同厂家生产的控制设备可以简单的组成工业控制网络，可以集中监控。 这使得r s 4 8 5 m o d b u s 是现在流行的一种布网方式，而且现在支持r s 4 8 5 的 仪表又非常多，特别是油品行业，r s 4 8 5 m o d b u s 可以说是一统天下，现在的 仪表商额纷纷转而支持r s 4 8 5 m o d b u s ，原因很简单，因为r s 4 8 5 转换接口 便宜而且种类繁多，在低端市场，r s 4 8 5 m o d b u s 还将是最主要的组网方式， 近几年不会改变【2 j 。 在利用有线方式传输在布线时会受到很多的限制，当使用有线方式进行通 信时，必须用一条数据线把两个设备连接起来。很多情况下，这种连接布线是 比较困难的，因为布线时可能经过的环境非常复杂，高温高压、腐蚀、野外恶 劣环境等情况。这种情况下就必须绕过这些恶劣环境。另外在工程改造时，通 信设备的位置需要发生改变，那么布线的布局又必须得重新安排。针对以上情 况，本文提出了将一部分布线用无线来代替，在有线布线难以实现的场合利用 网络化石油管道压力表的研究 无线来代替的方法。这样就提高了布线的灵活性，可以适应不同场合的复杂恶 劣环境1 3 】。 智能仪表足随着2 0 世纪8 0 年代初单片机技术的成熟而发展起来的，目前 的世界仪表市场基本被智能仪表所垄断1 4 1 。究其原因，主要是企业信息化的需 要。企业在仪表选型时，其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。智能 压力表的技术已经较为成熟，但是仍然存在不足之处主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 目前很多的压力表设计比较简单、功能单一，并不满足工程维护方便、 操作简单等要求。 ( 2 ) 大多性能好的压力表主要有国外的公司生产，操作界面是外文的，用户 操作不方便，而且价格比较昂贵，仪器的维护也比较困难。 ( 3 ) 国内大多的压力表是通过使用高价格、高精度的压力传感器来提高压力 的精度而不是先进的软件处理方法。 ( 4 ) 国内大多的压力表组网一般是r s 4 8 5 m o d b u s 有线组网，很多情况下， 这种连接布线是比较困难的，因为布线时可能经过的环境非常复杂，高温高压、 腐蚀、野外恶劣环境等情况。 针对上述压力表的情况，本文提出了利用成熟的软件处理技术研究高性能 压力表以及提出采用一套局部布线无线化方案。其意义有以下几方面： ( 1 ) 自主研发的压力表价格低，精度高，在测试时能稳定运行。 ( 2 ) 开发压力表上位机管理平台，界面为中文，用户现场操作方便。 ( 3 ) 采用b p 神经网络进行温度和压力的数据融合，最大限度的降低了温度 对压力传感器的影响，提高了压力的精度【6 j 。 ( 4 ) 提出了一套局部布线无线化方案，将一部分布线用无线来代替，在有线 布线难以实现的场合利用无线来代替，这样就提高了布线的灵活性，可以适应 不同场合的复杂恶劣环境。 1 3 本课题所做的主要工作 网络化压力表研究的关键在于如何提高测量精度以及组网的方便。本文在 针对压力表的工作环境进行分析，并根据压力表的性能指标完成了仪表硬件电 路的设计、程序的设计和上位机管理界面的设计，对设计的电路和功能进行调 2 江苏大学硕士学位论文 试，并对设计的压力计进行有线无线混合组网。 论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 通过压力表的应用及研究发展现状进行分析，设计出课题解决方案。 ( 2 ) 根据压力表的应用环境和功能要求，进行系统的总体方案设计并给出系 统的主要功能模块。 ( 3 ) 根据压力表性能指标设计硬件电路结构，包括了采样、显示、按键、存 储、通讯等硬件电路的设计。 ( 4 ) 以美国t i 公司生产的m s p 4 3 0 f 4 2 5 单片机为主控芯片，使用i a r 公司 的集成环境i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 嵌入式工作平台编写下位机程序。 ( 5 ) 针对温度对压力传感器的影响，使用b p 神经网络方法对压力和温度数 据进行融合数据来提高压力表的测量精度。 ( 6 ) 采用v b 6 0 软件构建压力表数据管理平台。 ( 7 ) 对压力表进行有线和无线混合组网。 ( 8 ) 系统测试与分析，并进行总结与展望。 3 网络化石油管道压力表的研究 第二章网络化压力表总体方案设计 本文所研究的压力表应用环境为石油管道，野外工作环境恶劣。因此在进 行系统方案设计时应该考虑到压力表的使用的环境条件。本文根据压力表的需 要和使用的环境情况确定了系统的性能指标和功能要求，进行系统总体方案设 计。 2 1 压力表要求与性能指标 2 1 1 压力表功能 压力表功能设计分为硬件设计和软件设计两部分，软件设计包括下位机软 件设计和上位机软件设计。 压力表根据定时采集压力表数据、温度和电压，同时将采集的数据放在液 晶上显示，在采集间隔时间内m s p 4 3 0 单片机进入休眠模式以降低压力表的功 耗，可以通过命令把采集的数据提到上位机来进行分析处理。数据管理平台具 有方便的人机界面，可以设置工作及通信参数、测试、标定等功能。管理平台 在接受到的数据存入数据库中，可以实现数据融合、数据显示、数据打印等功 能。 2 1 2 压力表性日- 匕g 悃4 匕- 标 1 传感器概述 本设计采用南京沃天科技有限公司制造的p c i 0 系列o e m 硅压阻式压力芯 体。p c i 0 系列硅压阻式芯体是制造压力传感器及压力变送器的核心部件 ( o e m ) ，作为一种高性能的压力敏感元件，可以很方便地进行放大处理，装配 成标准信号输出的变送器，广泛应用于石油、化工、电力、航空、航天、医疗 设备、汽车、h v a c 等行业的过程控制。p c i 0 系列是将扩散硅压力敏感芯片封 装到3 1 6 l 不锈钢外壳中，j i - n 压力通过不锈钢膜片、内部封闭的硅油传递到敏 感芯片上，敏感芯片不直接接触被测介质，形成压力测量的全固态结构，因此 该产品可以应用于各种场合，包括恶劣的腐蚀性介质环境。 4 江苏人学硕士学位论文 2 压力表的具体功能要求 ( 1 ) 主要把压力传感器输出的毫伏信号转换成数字信号显示出来，扩散硅传 感器参数：1 0 v 恒压供电，1 5 m a 恒流供电，输出2 0 8 0 m v 。 ( 2 ) 具有上位机通信功能，可以通过命令把采集的数据提到上位机来显示， 命令可以自由设定，可以存储参数到2 4 w c 0 2 里面。 ( 3 ) 按键功能：可以调整采集时间1 1 0 s 。 ( 4 ) 液晶显示，五位断码屏0 9 9 9 9 9 可以显示工程单位和电池电量( 电池电量 低于2 8 v 的时候电量显示1 格，同时让屏幕闪烁报警) 2 2 压力表设计 压力表设计思路为：首先根据系统所需要实现的功能对压力表进行硬件电 路设计及调试，包括采样、通信、显示等功能。结合硬件完成仪表下位机软件 设计；最后设计上位机数据管理平台，将仪表与管理平台通信，完成系统调试。 2 2 1 压力表工作原理与硬件结构 本数字压力表主要用于野外环境比较恶略的场合，采用电池供电，电池和 仪器组成一体，接通电源后仪器就开始工作，对采集的数据通过上位机管理平 台进行分析处理，包括标定、补偿等。 本文设计的压力表是把传统的压力传感器、信号调理电路、带数字总线接 口的微处理器等组成的一个智能压力传感器系统，典型的压力传感器系统结构 框图如图2 1 所示，从图中可以看出，压力表硬件以m s p 4 3 0 f 4 2 5 单片机为核 心，压力和温度信号采样转换电路、电源模块、液晶显示模块、按键模块、通 信模块和数据存储模块，上位机机操作界面数据管理平台。 5 网络化石油管道压力表的研究 l 、| ， 按键 羲据管理平台 爵钼叵叫习 计算机 爵钮匡 b 液晶显示 v 图2 1 压力表系统结构框图 压力表各模块功能与工作原理如下： ( 1 ) m s p 4 3 0 f 4 2 5 单片机：完成信号采集处理、各外围模块管理等功能。 ( 2 ) 电源模块：将5 v 电压转换成3 3 v 。 ( 3 ) 压力传感器：扩散硅压力传感器，采集压力模拟信号。 ( 4 ) 压力信号放大与转换电路：向压力传感器提供电流为1 5 m a 的恒流源，并将 电桥输出的电压信号通过放大器放大，送入单片机的s d l 6 进行处理。 ( 5 ) 温度传感器：m f 5 1 e ，测量温度的变化。 ( 6 ) 温度信号转换电路：向温度传感器提供3 3 v 的电压，并将测量值送入单片 机的s d l 6 进行处理。 ( 7 ) 按键：调节压力、温度、电压的采样时间。 ( 8 ) 数据存储：存储温度、压力、电源电压等参数。 ( 9 ) 液晶显示：显示采集的压力信号和电源电量。 2 2 2 压力表软件功能划分 根据压力表的功能要求将软件设计分为下位机软件和上位机软件两个部 分。下位机软件实现压力、温度信号的采集与处理、按键、液晶显示、数据存 储、通信等功能。上位机软件实现压力表的数据管理，包括数据融合、数据显 示、数据打印、标定等功能。 ( 1 ) 下位机软件的功能划分 6 江苏大学硕士学位论文 下位机根据压力表功能要求可以分为以下几个模块：主控模块、数据采集 模块、数据存储模块、通信模块、显示模块等功能模块。 主控模块：完成对系统的初始化工作，包括i o 端口初始化、a d 初始化、 s p i 初始化、u a r t 初始化、定时器初始化等，并循环判断仪器工作方式。 数掘采集模块：按照设置的工作时间和采样周期对压力传感器、温度传感 器和电源电压信号进行采集与转换处理，并完成数据的处理。 数据存储模块：将采样等数据存储n ； i - 扩e p p r o m 中，上传数据时，从外 部e p p r o m 中的读取数据。 通信模块：实现仪表与管理平台的数据通信，将采样的数据上传至管理平 台中，并能够接收管理平台的工作参数设置和数据通信。 显示模块：显示采集的压力值信号和电源电量。 ( 2 ) 上位机软件的功能划分 压力表在完成数据采集和存储后，需要将存储在2 4 c 0 2 的采样数据上传至 计算机中，因此上位机软件主要完成对采样数据的保存、显示、分析处理、检 定等功能。上位机软件主要的功能模块有：仪表管理、仪器检定、参数设置、 数据管理等模块。 仪表管理：包括添加仪器、删除仪器等。可进行新的压力表的添加与删除， 对仪表的功能进行测试以判断仪表是否存在故障。 仪表检定：包括仪表检查与仪表标定。仪表检查主要是测试仪表与管理平 台通讯是否正常；仪表标定是通过本仪表的标定数据通过b p 神经网络法对采 集的压力信号进行数据融合处理。 参数设置：包括工作参数设置与通讯设置等。 数据管理：包括数据上传、数据融合、查阅历史、曲线显示、打印等，完 成采样数据的上传、保存、融合、显示等功能。 2 3 压力表组网设计 2 3 1 组网功能需求分析 在r s 4 8 5 和无线共同布线系统中，是通过一对无线转发接收设备在有线布 7 网络化石油管道压力表的研究 线比较困难的场合实现无线连接。故必须有一段r s 4 8 5 总线的一端连接无线转 发设备，在另一端r s 4 8 5 总线上连接另一个无线数据接收设备1 5 】，如图2 2 所 不 p c 端 点 图2 2 一对一转发接收示意图 图2 2 无线转发节点之间只是一对一的互传数据，这只是在某种程度上摆脱 了有线布线的不足，不能实现布线的灵活性，而且为了使主机能够控制更多的 设备，应该让无线转发节点之间能够实现一对多的通信3 1 ，如图2 3 所示 图2 3 一对多转发接收示意图 为使主机能管理和控制多个设备，应为每个无线接收节点都设定一个地址。 这样主机就可以根据每个接收节点的地址来控制不同的设备。 无线转发节点包括硬件和软件部分，还需要设计一个主机接收和发送数据 江苏人学硕十学位论文 的软件，常用的串口调试工具虽然可以调试，但是每次数据都要根据m o d b u s 协议计算l r c 校验值，比较麻烦。故需要功能强大的软件，如图6 2 所示，主 要功能为： ( 1 ) 当输入要发送的数据后，能自动生成m o d b u s 协议数据帧。 ( 2 ) 按照m o d b u s 协议格式接收和发送串口数据时，能够与无线转发节点进 行通信。 ( 3 ) 可以把接收和发送的数据显示出来。 2 3 2 组网功能构成分析 本文针对压力表r s 4 8 5 m o d b u s 有线组网，提出了一套局部布线无线化方 案。本文利用主控芯片m s p 4 3 0 f 4 2 5 、射频芯片n r f 9 e 5 和r s 4 8 5 接口芯片 s p 3 4 8 1 组成一个无线转发节点：连接在一段r s 4 8 5 总线一端的无线转发节点实 现接收r s 4 8 5 的有线数据，并将这些接收到的数据无线转发；连接在另外一端 的r s 4 8 5 总线的无线转发节点实现接收无线数据，并将这些数据转发在这条 r s 4 8 5 总线上，这样就实现了两r s 4 8 5 总线的相连。无线转发节点不仅提供数 据转发任务而且对接收的数据进行判断来判断主机的命令来确定控制无线数据 的传送方向以及无线转发节点的工作情况。根据无线数据的传送方向主机可以 决定把数据发送给哪个无线数据接收节点，也就是确定了哪个r s 4 8 5 模块与哪 个r s 4 8 5 模块相连接。本方案将部分布线实现无线化不仅可以使布线变的灵活， 而且可以让主机控制更多的设备，非常具有实用性。 根据前面的功能需求分析，接下来对整个无线布线系统的构成进行分析。 通信的关键就是无线转发接收节点、p c 端的软件部分。 2 3 3 转发节点硬件系统构成分析 根据之前的功能需要分析，转发节点应该包含以下几个部分： 主控模块：主要控制r s 4 8 5 发送和接受数据，控制n r f 9 e 5 发送和接受数 据，对发送和接受的数据进行分析。 r s 4 8 5 发送和接受模块：将t t l 电平与r s 4 8 5 电平进行相互转换，以确定 数据的接受和发送。 9 网络化石油管道压力表的研究 n r f 9 e 5 发送和接受模块：对有线数据进行无线转发和将无线数据转化成有 线数据再传给主控芯片处理。 2 3 4 转发节点软件系统构成分析 根据前面对转发节点的功能的需求分析，可以将节点的软件系统分成以下 模块： ( 1 ) 系统初始化模块：初始化r s 4 8 5 芯片和n r f 9 e 5 射频芯片等。 ( 2 ) r s 4 8 5 数据接收模块：控制r s 4 8 5 芯片从r s 4 8 5 总线读取数据，对有线 数据进行接收。 ( 3 ) r s 4 8 5 数据发送模块：控制r s 4 8 5 把数据发送到r s 4 8 5 总线上，对有线 数据进行发送。 ( 4 ) n r f 9 e 5 数据发送模块：将有线数据传送到射频芯片上，并控制射频芯片 将有线数据进行无线转发。 ( 5 ) n r f 9 e 5 接收模块：控制射频：毽= 片接收无线数据，将无线数据转成有线数 据，然后再进行数据处理。 ( 6 ) 数据处理模块：负责对数据的判断和处理，对接收的数据进行校验等。 根据功能需要，将测试软件分成三块：( 1 ) 数据发送模块：将要发送的数据 转换成符合m o d b u s 协议的格式，然后将数据送到串1 ：3 进行发送。( 2 ) 数据接收 模块：在串口读取数据，将数据转化，并显示出来。( 3 ) 数据处理模块：对数据 进行判断和处理。 2 4 本章小结 本章对所研究的压力表提出了具体的功能要求与性能指标，并对系统进行 了总体方案的设计，分析了系统的工作原理与硬件结构，划分了软件功能模块， 明确了研究思路，为论文的进一步研究奠定了基础。 l o 江苏人学硕十学位论文 第三章压力计硬件设计与实现 3 1 传感器输出信号的预处理 传感器的输出信号预处理主要由信号调理电路组成，主要包括对压力传感 器元件的供电、信号放大等。传感元件位于传感器系统的最前面，被测的压力 模拟量必须转换成电信号才能供给电路处理，因此它的性能对传感器系统有着 重要的影响。本设计采用南京沃天科技有限公司制造的p c i 0 系列o e m 硅压阻 式压力芯体。p c i 0 系列硅压阻式芯体是制造压力传感器及压力变送器的核心部 件( o e m ) ，作为一种高性能的压力敏感元件，可以很方便地进行放大处理，装 配成标准信号输出的变送器，广泛应用于石油，化工，电力，航空，航天，医 疗设备，汽车，h v a c 等行业的过程控制。 p c i 0 系列是将扩散硅压力敏感芯片封装到3 1 6 l 不锈钢外壳中，外加压力 通过不锈钢膜片、内部封闭的硅油传递到敏感芯片上，敏感芯片不直接接触被 测介质，形成压力测量的全固态结构，因此该产品可以应用于各种场合，包括 恶劣的腐蚀性介质环境。图3 1 为压力传感器实物图，其具体参数见表： 电桥电阻：3 k 6 k 供电电源：恒流1 5 m a 、恒压1 0 v 使用温度：4 5 1 2 5 补偿范围：1 0 7 0 壳体和膜片：不锈钢3 1 6 l 精度：0 2 5 f s 零点：j 下负2 m v 满量程：大于1 0 0 m v ( 典型) 零点温漂：0 0 2 f s 灵敏度温漂：0 0 2 f s 。c 绝缘：1 0 0 m 2 5 0 v d c 长时间稳定性：0 2 f s 年 充油：硅油、橄榄油( 卫生型) 网络化石油管道压力表的研究 响应时间：小于5 0 微妙( 上升到9 0 f s ) 振动：2 0 9 ( 2 0 5 0 0 0 h z ) 图3 1 压力传感器实物 3 1 1 恒流源发生电路设计 据实际要求，给传感器供电的电源必须是稳定的，本文利用恒流源为压力 传感器供电，减少电压扰动对传感器的影响，大大减少了热灵敏度漂移对压力 传感器的影响，可以主要集中研究温度对压力传感器的影响。恒流源供电原 理图如图3 2 所示。 j 图3 2 恒流源供电原理图 前面一个a d 8 5 5 2 构成电压跟随器，电压跟随器具有输入阻抗高、输出阻 抗低的特点。当输入阻抗很高时，相当于对前级电路开路，当输出阻抗很低时， 1 2 江苏人学硕士学位论文 相当于对后级电路是一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响，隔离前、 后级电路，使它们互不影响，有利于后一级的电路更好地工作。后面一个a d 8 5 5 2 同相输入端与反相输入端电压相等，均为1 2 5 v ( 参考电压) ，反相输入端与一个 o 8 k 电阻串联接地，流过压力传感器的电流：i = 1 2 5 0 8 - - 1 5 m a ，压力传感器 为恒流源供电方式工作。 3 1 2 压力信号放大电路的设计 ( 1 ) 压力传感器工作原理 本设计采用南京沃天科技有限公司制造的p c i 0 系列o e m 硅压阻式压力芯 体，它是由四个力敏电阻组成的电桥差动电路，其结构图如图3 3 所示。 3 4 图3 3 压力传感器桥路 压力传感器的电桥各臂电阻为r l 、r 2 、r 3 、心，u 为输入电压，u o 为输出 电压。当压力传感器受力时，r l 和心变大，r 2 和r 3 变小。 全桥差动电路的输出电压为： = 配一2 ( 再一蕊r 2 - + a 蜀r 2 + 皑 、i u ( 3 t ) 当输入电压u 保持不变时，全桥为恒压源供电，输出电压随电阻的变化而 变化，从上式可以看出输出电压不仅受供电电压的影响，还与电桥的电阻值有 关系，而电桥的电阻还受到温度的影响，因此采用恒压供电，传感器的输出受 到的影响比较大。为了避免以上这一缺点，本文采用恒流供电，由图3 3 可以 网络化石油管道压力表的研究 得到： 可以得到： f ( r + 恐) = 厶( r + r ) l ，= 厶+ ，2 ：鱼些一一， 托+ 心+ 坞+ 心 l ： 墨垦 ， ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 所以输出电压为： u o = 鼾厶r 揣， ( 3 5 ) 从上式可以看出，采用恒流源供电时，输出的电压与电阻的变化成正比， 输出电压的大小与恒流源的电流大小，精度有关系。 ( 2 ) 压力采样电路 t i 公司生产的m s p 4 3 0 f 4 2 5 单片机外围模块丰富，内嵌a d 转换模块s d l 6 ， 且转换精度是1 6 位。本数据采集单元采用m s p 4 3 0 f 4 2 5 内嵌s d l 6 实现a d 转 换。m s p 4 3 0 f 4 2 5 的s d l 6 模块不带输入缓冲，其差分输入阻抗在p g a 增益为 2 时约为2 5 0 k ，直接测量输出千欧级的电桥输出时会带有m v 级的测量误差。 为提高测量精度，要在外部提供输入缓冲，缓冲运放采用低噪低温漂双运放 9 1 。 在压力采集电路中，需要高分辨率a d 变换器把测量电路的模拟信号进行数字 化。m s p 4 3 0 f 4 2 5 单片机具有功耗低，运行速度快的特点，其中m s p 4 3 0 f 4 2 5 内置1 6 位a d 模块和1 8 p p m 的1 2 5 v 的参考电压，适合做低功耗传感器信号 采集和处理。 对于带有s d l 6 模块的m s p 4 3 0 f 4 2 5 单片机来说，a d c 本身就具有差分输 入功能，可以省去精度要求高的匹配电阻，降低了成本。本设计用分立运放 t l v 2 2 5 2 构成的差动输入，差动输出的放大器。t l v 2 2 5 2 是一种低价格、高精 度仪表放大器，使用方便功耗低；直流性能优越、误差小、共模抑制比大、低 噪声，非常适用于压力仪表。 在数据采集系统中，对输入的模拟信号一般要经过放大，使得模拟量的大 1 4 江苏大学硕十学位论文 小在模拟转换器的电压转换范围内。传感器为1 5 m a 恒流供电时，满量程输出 电压是8 0 m v ，将输出电压放大到单片机a d 信号共模转换范围内 ( - 0 3 v - v c c + 0 3 v ) 。 压力传感器采用1 5 m a 恒流源供电，电压输出值范围为2 0 m v 8 0 m v ，分 别对应的压力值为0 1 0 m p a ，对应的数字量为0 - 一6 5 5 3 6 ( 1 6 位a d ) 。辅助参考 电压为1 2 5 v ，通过分析可以得出，电桥输出的电压值放大倍数定为 g = 12 5 0 8 0 = 15 6 2 5 倍，由 g ：l + 5 0 _ z ：1 5 6 2 5 ( 3 6 ) 愿 可以得到 = 筹g1 = 蔫156 2 籍以4 k q n 7 ) p = 一= 一2 - ，斗人s z i j ， o 一5 一l 。 r g = 3 4 k ，取r g = 3 4 k 精密电阻。如图3 4 所示，调节增益电阻r g 便可方便的 调节放大器的放大倍数。 图3 4 压力传感器输出信号放大电路 3 1 3 温度信号放大电路的设计 温度传感器种类比较繁杂，各种不同的传感器由于构成材料、构成方式及 测温原理的不同，使得测量温度的范围、测量精度也不同。因此，在不同的应 用场合，应选择不同的温度传感器。本设计采用m f 5 1 型高精度负温度系数热敏 电阻( n t c ) ，与热电偶、铂电阻相比较，热敏电阻具有灵敏度高、反应速度快、 网络化石油管道压力表的研究 分辨率高、体积小、质量轻、热惯性小、寿命长以及价格便宜等优点，这些特 点使得热敏电阻在工业领域被广泛应用1 7 j 1 1 2 1 。 m f 5 1 型高精度负温度系数热敏电阻的电阻值和温度变化的关系式为： r t = r * e x p ( b 宰( 1 厂r 1 一i t 2 )( 3 8 ) 其中：r t 是热敏电阻在t l 温度下的阻值；r 是热敏电阻在t 2 常温下的标 准阻值；b