（通信与信息系统专业论文）高精度智能压力变送器温度补偿方法研究及软件开发.pdf

中文摘要 摘要 高精度智能型电容式压力差压变送器是以金属电容式传感器为测压元件，单 片机为变送器压力信号采集和处理控制单元，通过高低温压力补偿的一种压力压 差测量装置，具有测量精度高、线性好等特点。自动温度补偿是确保该测量装置 高性能的关键部件，其工作流程就是将组装好的整机变送器仪表安装到补偿央具 上，使待补偿端与补偿央具有完好的密封性，然后置入高低温烘箱中，温度补偿 应用程序控制高低温烘箱，使其稳定在补偿温度点，待烘箱温度稳定后进行电容 式压力差压传感器的温度稳定性判定，如果变送器的传感器处于稳定状态，计算 机控制数字压力控制器进行标定压力采样。为了在一定温度和压力下有效改善电 容式压力差压变送器的非线性及温度变化引起的误差输出特性，在整个温度补偿 过程中，依据已建立的数学模型，对温度点和压力点的选取进行调整并在选定点 进行补偿修正。 本文对高精度智能型电容压力差压变送器温度补偿方法和实现开展研究，主 要内容包括： ( 1 ) 通过对高精度智能型电容式压力差压变送器工作原理的分析，总结了各 类典型的温度补偿原理、方法和技术特点； ( 2 ) 采用最d - 乘算法对温度补偿后的采样数据进行处理，力图使变送器的 压力输出基本不随温度变化，从而有效补偿整机变送器传感器的零点漂移和温度 漂移。将经过温度补偿后的变送器应用到自动化控制系统中的压力、差压、液位 和流量等物理参数的检测变送单元时，依据温度补偿修正后的数学模型对现场实 时采样值进行处理获得实际压力测量值，实时监控现场的压力状态。 ( 3 ) 完成了高精度智能型电容压力差压变送器温度补偿系统的软件开发，包 括温度补偿应用程序与控制设备、压力变送器控制板和c h 3 6 5 控制板硬件之问的 通信接口设计、温度补偿功能模块设计以及v i s u a lc + + 6 0 编译环境下对m i c r o s o t t e x c e l 工作薄的操作等。 关键词：温度补偿，会属电容式传感器，高低温烘箱，最小二乘法，温度漂移 英文摘要 a b s t r a c t t h eh i g ha c c u r a c ys m a r tc a p a c i t a n c ep r e s s u r e d i f f e r e n t i a lt r a n s m i t t e ru s e sam e t a l c a p a c i t a n c es e n s o ra ss e n s i n ge l e m e n t ，s c ma ss e n s o rd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g c o r e h i g ha c c u r a c ya n dh i g hl i n e a r i t yp e r f o r m a n c e sa r ea c h i e v e db yc h a r a c t e r i z i n g t h et r a n s m i t t e ru n d e rh o ta n dc o l dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sw i t has e to fp r e s s u r e sa n d t h e n c o m p e n s a t e dm a t h e m a t i c a l l y t h e a u t o m a t i c t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n p r o c e s s t h ek e yc o m p o n e n tc a ne n s u r et h ee q u i p m e n t sh i g hp e r f o r m a n c e ，i ts t a r t sw i t h i n s t a l l i n gt h et r a n s m i t t e rt oa m a n i f o l dw i t ht i g h tp r e s s u r es e a l ，t h e np l a c e st h em a n i f o l d i n t oat e m p e r a t u r ec o n t r o l l e dc h a m b e rf o rc h a r a c t e r i z a t i o n t h ec o n t r o ls o f t w a r es e t sa s e r i e so fd e s i r e dt e m p e r a t u r e si nt h ec h a m b e r , a n dk e e p st h et e m p e r a t u r es t e a d y o n c e t h ep r e s s u r e d i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e n s o rv e r i f i e st h a tt h et e m p e r a t u r ei ss t a b l e ，t h e d i g i t a lp r e s s u r ec o n t r o l l e r s e t sas t r i n go fp r e d e t e r m i n e dp r e s s u r e sa n dt h es y s t e m a c q u i r e sd a t ao n c ep r e s s u r es t a b i l i z e s t h ep u r p o s eo fc h a r a c t e r i z a t i o ni st oe f f e c t i v e l y l i n e a r i z et h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co ft h es e n s o ru n d e rd e s i g n e dt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ec o n d i t i o n sb yu s i n ga ne s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e l t h i sm a t hm o d e li s b a s e do nt h el e a s ts q u a r et h e o r y ；i tp r o c e s s e st h ea c q u i r e dd a t as u c ht h a tt h es e n s o r o u t p u tr e m a i n st h es a m e a st e m p e r a t u r ec h a n g e s t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ea u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm e t h o da n d a c h i e v e m e n t ( i ta p p l i e si nt h eh i g ha c c u r a c ys m a r tc a p a c i t a n c ep r e s s u r e d i f f e r e n t i a l t r a n s m i t t e r ) ，i tm a i n l yd i s c u s s e s ： ( 1 ) t h ep r i n c i p l eo ft h eh i g ha c c u r a c ys m a r tc a p a c i t a n c ep r e s s u r e d i f f e r e n t i a l t r a n s m i t t e ra n dt h ep r i n c i p l e 、m e t h o da n dc h a r a c t e r i s t i co f v a r i o u st e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n ( 2 ) u s i n gl e a s ts q u a r em e t h o dt op r o c e s st h es a m p l e dd a t a ，a n dk e e pt h e t r a n s m i t t e r sp r e s s u r ef i x e da st h et e m p e r a t u r ec h a n g e s i nt h i sw a y , i tm i n i m i z e st h e z e r oa n dt e m p e r a t u r es h i f t so b s e r v e di na nu n c h a r a c t e r i z e dt r a n s m i t t e r at e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e dt r a n s m i t t e ri su s e di na u t o m a t e ds y s t e mf o rp r e s s u r e ，d i f f e r e n t i a lp r e s s u r e ， l e v e la n df l o wm e a s u r e m e n t s ，w h e nm e a s u r e m e n tp a r a m e t e r sa r ec o l l e c t e d ，i tc o m p u t e s t h ea c t u a lo u t p u tb yt h ee q u a t i o ng e n e r a t e db yt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ( 3 ) a c q u i r i n gt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h eh i 。g ha c c u r a c ys m a r tc a p a c i t a n c e p r e s s u r e d i f f e r e n t i a lt r a n s m i t t e r , i n c l u d i n gt h et e c h n i q u e so ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n a l g o r i t h ma n dt h ec o n t r o l l e r , t h ec o n n e c t o rb e t w e e np r e s s u r et r a n s m i t t e ra n dc h 3 6 5 重庆人学硕十学位论文 c o n t r o l l e rh a r d w a r e ，t h ef u n c t i o n a lb l o c k so ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，a n dh o w v i s u a lc + + 6 0a c c e s s e sm i c r o s o re x c e lb o o k s k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，m e t a lc a p a c i t i v es e n s o r s ，s e m e n ss i m a t t c p a n e lp l c ，l e a s ts q u a t i o n ，t e m p e r a t u r ed r i l l s i v 学位论文独创性声明 本 人声明所呈交的至堑 士 学位论文 威鏖丝匡歪童堡壅! 越壶叁i 丝盈屋亟篷叠笙 是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签字日期：2 口，夕么岁c 签字日期：。p 舻罗厂歹口 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程，) ，愿意将本人的生鱼士学位论文碰缢缍4 i 遮整整盎色蕉盈鑫越! f 穷魄 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签名： 口 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书! 噬装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1绪论 1 1 研究背景 压力变送器是工业实践中最为常用的一种测量单元，已广泛应用于各种工业 自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、 石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 重庆四联集团有限公司先后联合丌发了h b c c h b y c 和h b p 8 0 0 等几大系列 智能压力差压变送器，这些产品己陆续投放市场。从市场反馈的信息看，上述智 能变送器具有广阔的应用领域和市场空间，但也存在一些缺陷，如稳定性较差、 电路可靠性差、成本较高、装配维修困难、外形欠美观等，从而削弱了其市场竞 争力。在所有缺陷中，稳定性差处于最突出的地位。由于传感器的稳定性差，造 成了整机的稳定性无法提高，进而限制了变送器精度的提高和量程比的扩展。同 时，在我国压力变送器市场，国外产品占据了7 0 左右的份额，特别是智能变送 器，9 5 以上都是国外产品。“九五”期间，国内川仪、西仪和上自仪等公司参加了 国家重点科技项目计划“现场总线智能仪表研究开发”的科研攻关，先后成功研制出 了h a r t 协议和f f 协议智能变送器，并陆续推向市场。这些仪表实现了智能化， 支持数字通信，精度较高，但由于长期稳定性较差，量程l g d , ，市场竞争力不强。 从总体上看，国内智能压力差压变送器的生产厂家和销售量都很少，传感器制造 工艺、温度补偿技术和智能化技术同国外相比存在很大差距。 通过高性价比智能电容压力差压变送器的研发和产业化，可拓宽国内的变送 器市场，创造更大的效益。为此，重庆四联集团公司吸收r o s e m o u n t 公司电容式 传感器的生产技术，在此基础上融入自身在压力传感器方面的生产经验，已研发 生产出量程在7 2 k p a 1 0 m p a 压力范围具有精度高、线性度好、抗电磁干扰性强 等特性的电容式压力差压变送器。 任何一台压力变送器都必须经过严格的补偿校准后才能应用于现场。高精度 智能型电容压力差压变送器温度补偿就是将金属电容传感器、数据采集板、数字 控制板、容室及壳体组装成整机变送器仪表，并将其安装到完全密封的气路管道 上，置入高低温烘箱内，程序控制高低温烘箱在不同温度下使金属电容传感器处 于温度稳定状态，然后通过软件控制矩阵卡上的继电器，进而控制气路上电磁阀， 使金属电容传感器的被测端经过毛细管道与压力控制器的测试端相接通，控制程 序根据预定的压力标定点自动控制压力控制器，待压力控制设备稳定后，由计算 机按照规定的协议与嵌入式单片机通信进行当前标定压力下的采样。在整个温度 补偿过程中依据已建立的数学模型，进行温度点和压力点的补偿修正，将采集的 重庆人学硕十学位论文 原始数据及线性修j 下系数保存到m i c r o s o f te x c e l 工作薄，并将修j 下后的相关系数 写入到单片机的e 2 p r o m 中。当压力变送器应用到自动化控制系统中的压力、绝 对压力、差压、液位和流量等物理参数的检测变送单元时，依据温度补偿所修正 的系数代入现场实时采样值，按数学模型中的输出规则输出现场实际测量值，实 时监控现场的压力状态。 本文借助重庆四联集团公司的技术平台，重点研究电容式压力差压变送器温 度补偿方法、控制软件与控制设备之间的通信以及温度补偿模块的功能设计等， 采用基于最小二乘的温度补偿方法对温度补偿模块进行功能设计，为智能型电容 压力差压变送器的稳定性和精确性提供技术支持和保障。 1 2 国内外现状分析 高精度智能型压力变送器是目前国内外压力传感器市场的主流产品，测量精 度为o 0 4 - 0 1 ，不仅可以输出4 2 0 m a 的恒流信号，还支持国际标准的通信 协议，如h a r t 协议等。利用基于国际标准的手持通信器或通信软件，可以获得 被测参数的数字数据。智能型变送器的信号处理和转换电路都以微处理器为核心， 配以符合国际标准的通信芯片；信号处理采用数字化技术，可以直接驱动数字显 示器，并可方便地支持工业过程的数据传输。这类变送器对内部电子噪声的抑制 能力很强，内置微处理器或微控制器功能强大，使用灵活，支持复杂的算法。因 此，可以对环境温度、湿度等的影响进行精确补偿和系统智能诊断等。此外，符 合现场总线标准( 如p r o f i b u s 协议等) 的智能型压力变送器目前己投入使用，该类 产品输出全数字信号，无需4 2 0 m a 电流输出，这是未来过程控制领域发展的主 流方向之一。 在国内变送器市场，高精度智能型变送器产品几乎被国外品牌和合资产品所 垄断，特别是新建设的大型工程项目，都指定使用国外技术的变送器。国内智能 产品与国外有很大差距，主要原因是传感器性能较差和整机智能化技术落后。在 模拟型产品中，国产变送器以低价格和灵活的市场推广策略占据了大部分市场份 额。简易智能型变送器没有明显的优势，在智能型和模拟型的双重夹击下，市场 占有率极小，其发展前景十分有限。我国变送器生产企业，特别是大型企业，要 生存和发展，必须拥有智能型变送器、必须走合资和合作的道路。要使国内的智 能型压力变送器长期生存和持续壮大，必须消化吸收国外先进的智能化技术，改 进创新，推出自主知识产权的高性能智能产品。成功的关键是拥有高性能的传感 器，对变送器智能化进行系统架构级设计，特别是研究先进的标定算法。另外要 积极研究现场总线变送器，这样可以提高研究起点；因此在传感器方面，国内企 业应该走o e m 和合作之路，对先进传感器技术进行研究与借鉴，以此为基础进行 2 1 绪论 智能变送器丌发，使国内智能变送器以更快的速度赶上世界先进水平【1 1 。 在过程自动化领域，压力变送器所用的压力传感器己达数十个品种，不论哪 一种压力传感器在实际应用中普遍存在着温度漂移现象，降低了压力传感器的测 量精度，因此需要采取适当的补偿措施对传感器的温度附加误差进行修正，以提 高测量的准确性。美国r o s e m o u n t 公司、h o n e y w e l l 公司、德国s i e m e n s 公司、瑞 典a b b 公司、国内四联公司等都有各自完备的温度补偿系统及相应的补偿算法。 就国内而言，应用于变送器的温度补偿方法大多采用r b f 神经网络补偿修正算法 和基于最小二乘法中的多项式拟合补偿修正算法，国外常用的压力变送器温度补 偿方法与算法大同小异，其补偿修正的目的总是希望压力传感器的输出与输入成 唯一的对应关系，最好是线性关系，但是一般情况下，输出与输入不会完全符合 所要求的线性关系；同时由于存在着迟滞、蠕变、摩擦、温度等因数的影响，使 输出输入对应关系的唯一性也不能实现；另外温度补偿算法的好坏也是决定压力 传感器在使用测量中的精度、稳定性和可靠性的关键1 2 1 。随着压力传感器的应用范 围不断在工业自控环境领域中扩大，工业用户对压力变送器的稳定性和准确度的 要求不断提高，因此对压力变送器零点漂移和温度漂移的校正就成为一个重要的 研究课题。 1 3 论文的主要内容和安排 本文重点研究高精度智能型电容压力差压变送器温度补偿方法和实现技术， 论文组织如下： 第一章：介绍研究背景、课题来源以及智能型压力差压变送器及其温度补偿 方法的国内外现状。 第二章：介绍压力差压变送器自动温度补偿系统的结构。 第三章：介绍压力差压变送器的工作原理、变送器采样电路和温度补偿电路 矩阵卡的设计。 第四章：介绍现阶段在变送器生产领域中采用的典型线性修正算法，并详细 阐述本文研究的变送器采用基于最小二乘的线性修正算法的原理。 第五章：介绍压力差压变送器自动温度补偿系统软件通过r s 2 3 2 串行总线口、 g p i b 并行总线接口和p c i 总线接口实现对温度补偿系统中测试设备的操作，以及 补偿气路和串口的切换。 第六章：温度补偿系统功能模块设计。主要针对自动温度补偿系统模块、自 动温度补偿模块、测试台检测模块、手动测试模块和数据存储文件操作模块设计 以及软件流程进行详细阐述。 第七章：压力差压变送器温度补偿线性修正的实例。分析经过温度补偿后差 重庆人学硕十学何论文 压变送器的线性精度及因温度引起的误差指标。 第八章：全文总结与展望。 4 2 温度补偿系统的结构 2 温度补偿系统的结构 2 1 温度补偿系统总体构成 在温度补偿系统中，为满足系统中工控机对测试设备的自动控制，确保补偿 流程的顺利进行，系统整体设计采用了r s 2 3 2 串行总线接口、g p i b 总线接口和 p c i 总线接口来实现系统计算机与测试设备之间的通信。温度补偿系统的结构框图 如图2 1 所示，不同总线接口的实现方式和完成的传输功能分别为： r s 2 3 2 串行总线接口：采用专用的r s 一2 3 2 p p i 多主站电缆，实现工控机与 烘箱连接；采用自行设计的r s 2 3 2 接口与矩阵切换电路连接，实现补偿气路和补 偿工位串口的切换。 g p i b 总线接口：采用8 2 3 5 0p c ig p i b 总线接口卡，实现温度补偿软件对 具有g p i b 总线接口的补偿测试设备的操作与控制1 3 j 。 p c i 总线接口：基于c h 3 6 5 芯片的矩阵板卡，实现自动温度补偿流程中气 路的切换和补偿工位串口的切换。 图2 1 温度补偿系统结构 f i g 2 1t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o ns y s t e ms t r u c t u r e 2 2 温度补偿系统软件功能 压力差压变送器自动温度补偿软件执行的主要功能就是将金属电容传感器、 数据采集板、数字控制板、容室及壳体组装成整机变送器仪表，并将其安装到完 全密封的气路管道上，置入高低温烘箱。程序控制烘箱在不同温度下使金属电容 重庆人学硕十学位论文 传感器处于温度稳定状态，然后通过软件控制矩阵卡上的继电器，进而控制气路 上的电磁阀，使金属电容传感器的被测端经过毛细管道与压力控制器的测试端接 通，控制程序根据预定的压力标定点自动控制压力控制器，待压力控制设备稳定 后，由计算机依据规定的协议与变送器的微控制器通信，进行当前压力下的采样 过程。在整个温度补偿过程中，依据已建立的数学模型进行温度点和压力点的选 取，采集原始数据并将数据保存到相关文件中。经过温度补偿后的金属电容传感 器按照数学模型进行线性修正，并将修币后的相关系数写入微控制器的e 2 p r o m 中。当压力变送器应用到自动化控制系统中的压力、差压等物理参数的检测变送 单元时，依据温度补偿后的修正系数代入现场实时采样值，按数学模型中的输出 公式输出现场的实际测量值，实时监控现场的压力状态。 依据压力差压自动温度补偿系统软件的温度补偿流程，在软件的研发阶段需 要设计6 款模块，各自的基本功能描述如下： 测试台自动检测模块：检测待补偿变送器气路的密封性，补偿软件与测试 设备、待补偿变送器的通信状态。 手动测试台检测模块：有针对性的检测出现异常的设备和电路，便于现场 工艺人员的维护与维修。 零散装夹工位变送器通信检测模块：检测出现通信异常的待补偿变送器的 工位电路。 补偿算法模块：依据压力差压变送器采用最小二乘法的线性修正原理，完 成相关线性修正算法函数的编写。 自动温度补偿模块：完成变送器的温度补偿和压力标定。 补偿数据的文件处理模块：将温度补偿期间的采样数据和现行修正系数进 行存储和备份。 2 3 本章小结 本章重点阐述温度补偿系统的整体结构以及系统采用的r s 2 3 2 总线接口、p c i 总线接口和g p i b 总线接口实现自动温度补偿的功能和实现方式，依据自动温度补 偿流程，总结介绍了温度补偿系统软件应具有的主要功能。 6 3 压力，筹压变送器，温补硬州的作原理 3 压力差压变送器与温补硬件的工作原理 31 压力差压变送器工作原理 仃三力差压堂送器采用会属电容式压力筹压传感器，其机械结构如图31 所示。 其工作原理为：电容式擅力差压传感器工作时，将被测介质的两种压力送到变送 嚣的高、低址力室中，通过隔离片和元件内的硅油，冉传送到测量膜片两侧，测 毋膜片与阿侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力小一致时，测量膜 片将产生位移并且其位移帚和压力差成正比。 图31 压力，藉压传感器的机械结构 f i g3 lp m s s u m d i f f 日e n t m ls e n s o r m e c h a n i c a ls t m c t u m 将金属电容式压力筹压传感器、容室、壳体和挡帝顺组装成整机压力差压变 送器，整机外观如图3 2 所示。 酗3 , 2 压力，差压变送器整机结构 f i g32s t r a c t u r e o f p r e s s u r e d i f f e r e n t i a l t r a n s m i t t e r 整机变送器经过密封性检测和通信检测无异常后，便可以放入温度补偿系统 装置中，依据温度补偿流程进行温度补偿和线性修l 一。本文研究的胜力，差压变送 器经过温度补偿及常温下的温度漂移测试之后，便可以应用到工业领域的测压现 场。当压力差压变送器处丁测压工作状态时，其工作原理如图33 所示。各部件 够。 重庆人学硕十学位论文 和电路的功能如下： 图3 3 乐力差乐变送器。i i 作原理 f i g 3 3w o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ep r e s s u r e | d i f f e r e n t i a lt r a n s m i t t e r 传感器：将待测压力参数转换成对应的电信号。传感器性能的好坏，直接 决定了压力变送器的精确度、灵敏度以及稳定性。正是由于压力传感器在实际应 用中存在零点漂移和温度漂移现象，因此需要采取适当的温度补偿措施。 c f 转换电路：将传感器测得的压力信号转化成频率信号，其值被微控制 器用来做为压力输出的采用信号。 m s p 4 3 0 微控制器：变送器主控芯片，同时还负责进行传感器线性化处理、 变送器量程重置、工作时输出单位换算、传感器微调等运算以及诊断和数字通信。 d a 转换器：将微控制器处理后的数字输出信号转换为4 - - 2 0 m a 的模拟 电流信号并送到输出回路。 h a r t 通信模块：为变送器提供一个采用h a r t 协议的外部设备通讯接口， 方便工艺人员现场更改参数、远程联网控制【4 1 。 l e d 输出显示电路：为压力差压变送器用户提供一个供修改内部参数和 压力输出显示的界面。 3 2 电容式变送器的c f 转换电路 压力差压变送器采用金属电容式传感器，在数字化处理过程中需要进行c f ( c a p a c i t a n c e f r e q u e n c yc o n v e r t e r ) 转换，即电容频率转换。c f 转换电路采用 i c m 7 5 5 6 专用器件，实现传感器电容值到输出频率之间的线性转换。i c m 7 5 5 6 芯 片为c m o s 结构，静态功耗低，工作电流仅6 0 i - t a ；控制电流、触发电流极低， 只有2 0 p a ，非常适合要求低功耗场合；定时误差随温度变化值很低，只有5 0 p p m 。 在要求产生高精度频率以及4 , - 一2 0 m a 变送的情况下，i c m 7 5 5 6 足够满足要求。c f 转换电路如图3 4 所示。 8 3 压力筹乐变送器与温补硬什的t 作原理 图3 4 c f 转换电路图 f i g 3 4c o n v e r t i n gc i r c u i to fc f 3 3 基于c h 3 6 5 芯片的矩阵卡电路原理 基于c h 3 6 5 芯片的矩阵卡电路主要实现自动温度补偿流程中待补偿变送器补 偿测试端气路的选择和变送器采样串口的切换。 3 3 1p c i 到i s a 转换 c h 3 6 5 是一款连接p c i 总线的通用接口芯片，支持i o 端口映射、存储器映射、 扩展r o m 以及中断。c h 3 6 5 将3 2 位高速p c i 总线转换为简便易用的i s a8 位并 行接口总线，用于制作低成本的基于p c i 总线的计算机板卡以及将原先基于i s a 总线的板卡升级到p c i 总线上。p c i 总线与其它主流总线相比，速度更快，实时性 更好，可控性更佳，所以c h 3 6 5 适用于高速实时的i o 控制卡、通讯接口卡、数 据采集卡等【5 1 。 基于p c i 的矩阵板卡是以c h 3 6 5 芯片为核心进行设计的。c h 3 6 5 具有i o 基 址寄存器和i o 空间使能位。一个p c i 芯片可以有多个i o 基址寄存器，但是i o 空i 日j 使能位只有一个。当i o 空间使能位为0 时，c h 3 6 5 忽略任何i o 操作，所有 i o 基址寄存器都没有作用；而当i o 空间使能位为l 时，c h 3 6 5 才有可能执行i o 操作。矩阵卡在使用时如果计算机出现复位，那么i o 基址寄存器复位到0 0 0 0 h ， i o 空间使能位也复位到0 。由于此时i o 空问使能位为0 ，所以c h 3 6 5 不会执行 任何i o 操作。 当b i o s 初始化时，向c h 3 6 5 的i o 基址寄存器写入基址，并将c h 3 6 5 的i o 空间使能位设置为l 。对于其它p c i 卡，b i o s 也执行相同操作，但是各个p c i 卡 9 重庆人学硕十学位论文 的基址寄存器中的数值一定是不同的。由于i o 空间使能位为l ，所以当c p u 执 行i o 指令时，c h 3 6 5 对i o 地址译码比较，如果发现i o 指令的地址与i o 基址 寄存器相同，就会响应并执行该i o 操作。一般情况下，进入操作系统后会自动分 配给各个p c i 板卡的基址，应用程序也可以修改c h 3 6 5 配置空i 、日j 中的基址寄存器， 重新定位c h 3 6 5 ，前提是不要与其它i s a 或者p c i 卡的地址冲突】。由此可见， p c i 板卡的i o 地址的译码由一个基址寄存器和一个比较器构成，改变基址寄存器 中的数值就可以改变p c i 板卡所占用的i o 地址，所以p c i 板卡的i o 地址完全 是动态分配的，而不是i s a 板卡的固定物理连接。 对于存储器m e m ，c h 3 6 5 也有m e m 基址寄存器和相应的m e m 空间使能位， 其功能与用途与i o 基址类似。但是有一个重要的区别，就是操作系统为p c i 板卡 自动分配的m e m 基址通常都在1 m b 以上，而d o s 下的程序不方便读写1 m b 以 上的内存，所以如果p c i 板卡在d o s 下应用，可以由应用程序自己修改m e m 基 址，将其设置在1 m b 内存以下。 对于中断，c h 3 6 5 芯片也有中断号寄存器，但是该中断号寄存器没有物理作 用，只是用于让操作系统或者应用程序知道当前使用的中断号。基于c h 3 6 5 芯片 的p c i 板卡只管向p c i 总线申请中断，w i n d o w s 会通过主板芯片组控制p c i 路 由，将p c i 板卡申请的中断信号路由到相应的中断号，所以应用程序直接修改中 断号寄存器通常没有作用。在使用w i n d o w sx p 和较新主板芯片组的计算机中， p c i 板卡的中断号还可以是1 6 到2 3 ，而不仅仅局限于i s a 总线的0 到1 5 。 综上所述，p c i 板卡的i o 地址、m e m 地址、中断号完全是动态分配的，也 是非常灵活的。在不同的计算机中，不同的b i o s 下，不同的操作系统和不同的 p c i 插槽中，同一块p c i 板卡的i o 地址范围、m e m 地址范围和中断号都有可能 是不同的。 图3 5 所示为c h 3 6 5 与p c i 总线的连接电路。补偿系统计算机中包括三种空间： 存储器空间、i o 空间和配置空问。 存储器空间主要包括内存、显存、扩展r o m 、设备缓冲区等，一般用于 存放大量数据和进行数据块交换。 i o 空间主要包括设备的控制寄存器和状态寄存器， 设备的工作状态以及少量数据的交换。 配置空间主要用于向系统提供设备自身的基本信息， 局状态的控制和查询。 一般用于控制和查询 并接受系统对设备全 为了避免地址冲突，p c i 总线要求各个设备所占用的地址能够重定位。重定位 是由设备的配置空间的基址寄存器实现的，通常情况下，各个设备的基址寄存器 总是被b i o s 或者操作系统分配为不同的基址，从而将各个设备分别映射到不同 1 0 3 压力著压变送器与温补硬件的t 作原理 的地址范围。在需要时，应用程序也可以自行修改基址。c h 3 6 5 的存储器空间占 用3 2 k 字节，偏移地址是o o o o h 7 f f f h ，可以全部提供给外部设备使用，实际 地址是存储器基址加上偏移地址。c h 3 6 5 的i o 空间占用2 5 6 字节，去掉c h 3 6 5 自 用寄存器，还可以提供2 4 0 字节给外部设备使用，偏移地址是o o h - - e f h ，实际 地址是i o 基址加上偏移地址。 自d 3l 2 0自d 316 6 自d 3lql5 3 3 自15 q d 3 0 10 5臼d 3 06 7 自d 3 0自14 3 4向l4 a d 2 9 2l自d 2 96 8 q d 2 9a 13 3 5自13 自d 2 8 10 3自d 286 9 a d 2 8a l2 3 6自12 冉d 2 7 2 3q d 2 77 0 臼d 2 7al 1 3 7自li a d 2 6 10 2自d 2 671 自d 2 6自l0 3 8自10 自d 2 5 2 4a d 2 57 2 自d 2 5自9 3 9a 9 a d 2 4 10 0自d 2 47 3 a d 2 4白8 4 2 臼8 a d 2 3 2 7自d2 37 6 自d 2 3a 7 4 3自7 自d 2 2 9 7 自d 2 2 7 7 自d 2 2a 6 4 4自6 向d 21 2 9自d 217 8 自d 2la 5 4 5自5 自d 2 0 9 6自d2 07 9 自d 2 0自4 4 6a 4 臼d l9 3 0q d192 a d19 a 3 47自3 ：c a d l8 9 4臼d l83 自d18a 2 4 8a 2 一 a d17 3 2自dl74 a d17a1 4 9自l 5 a d16 9 3q d165 自d16a 0 5 0自o 6 + 5 v自d15 81自d1514 自d15 61 + 5 va d14 4 5自d1415 自dl4 d a t ab u s 6 2 + 5 u白dl3 7 9向dl316 自dl3 6 3 + 5 u a d12 4 7自d1217 q dl2 6 4 + 5 vq dl l 7 8自d1118 自dl ld 7 51d 7 + 5 u自dl0 4 8自dl0l9 自d10d 6 5 2d 6 12 0 7 6q d 92 2 5 3 d 5 + 5 v自d e 9a d 9d 5 自d 0 8 5 2自d 82 3 自d 8d 4 5 4d 4 a d 0 7 5 3臼d 72 5 一d 7d 3 5 5d 3 自d 0 6 7l自d 62 6 日d 6d 2 5 6d 2 a d 0 5 5 5自d 52 7 自d 5d1 5 7d1 兰ci a d 0 4 7 0自d 42 85 8d 0 a d 0 3 5 6自d 32 91 呈! t ll d 0 4 7 u自d 0 2 6 8 向d 2 3 0 臼d 3 日d 01 5 8q dl31 自d 2c i t 3 6 5 6 7 自d 0 3 2 自dl a d b o自d 01 0 p r d 4 日10 pr d c b e 3 2 6c b 37 4 10 p u r 4 11 0 p l j r 3 3cb e 26 c b e 3 9 c b 2c b e 2 h e h r d 6 2he h r d 4 4cb 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组成驱动电路，该电路为输出开路f - i ( o cf - j ) ，每路口线可以 直接驱动继电器或者光耦，在后级电路中直接通过电缆线连接到继电器阵列 7 1 。 3 3 3 继电器矩阵连接原理 继电器矩阵电路原理如图3 7 所示。图中v c c 由计算机接口卡引出，地端为 外接测试板卡公共地线，两组电源之间采用隔离，二极管用于继电器关断时，卸 放继电器线包的反向电压，以防止反向感应电压击穿c h a n n e l 3 2 的驱动芯片。 图3 7 继电器矩阵电路图 f i g 3 7c i r c u i td i a g r a mo fr e l a ym a t r i x 该电路中的继电器阵列全部采用干簧继电器，使用寿命较长，在标准负载情 况下可以运行百万次以上，反应速度快，闭合延迟时间在7 m s 以内。由于使用继 电器实现了外围测试电路和c h a n n e l 3 2 之间的高电压隔离，而不至于干扰或者 烧毁控制板卡。 继电器矩阵电路保证在温度补偿采样期间，实现单台与整体隔离，使当前采 1 3 重庆人学硕十学位论文 样的变送器不受其它变送器电路的干扰，确保恒温下的压力标定采样的真实性。 3 4 本章小结 本章主要介绍金属电容式压力差压传感器和由此构成的压力变送器的结构和 工作原理，重点阐述压力变送器在应用于工矿现场之前进行温度补偿时，温度补 偿系统和变送器之间信息交互和控制的功能部件，如c f 转换电路、矩阵卡电路、 接口电路、控制电路和执行机构电路结构等的结构和技术要求。 1 4 4 压力差压式变送器温度补偿的方法 4 压力差压式变送器温度补偿方法 4 1 温度补偿的种类 大多机电产