基于網絡的智能精密壓力傳感器原理與應用

1 引言

最近，美國霍尼威爾(Honeywell)公司先后推出了PPT系列、PPTR系列和PPTE系列可實現網絡化的智能精密壓力傳感器。這些傳感器將壓敏電阻傳感器、A/D轉換器、微處理器、存儲器(RAM、E 2PROM)和接口電路集于一身，不僅達到了高性能指標，還極大地方便了用戶。這些產品可廣泛用于工業、環境監測、自動控制、醫療設備等領域。

2 PPT、PPTR系列壓力傳感器

的性能(1)PPT系列傳感器采用鋼膜片，帶RS-232 接口，傳感器距離不超過18m，適合測量快速變化或緩慢變化的各種不易燃、無腐蝕性氣體或液體的壓力(即表壓)、壓差及絕對壓力，測量精度高達±0.05％(滿量程時的典型值)，而過去的集成壓力變送器最高只能達到±0.1％的精度。PPTR系列產品帶RS-485接口，傳輸距離可達幾千米，它采用不銹鋼膜片，能測量具有腐蝕性的液體或氣體，測量精度為±0.1％。

(2)它屬于網絡傳感器。構成網絡時能確定每個傳感器的全局地址、組地址和設備識別號ID地址，能實現各傳感器之間、傳感器與系統之間的數據交換和資源共享，用戶可通過網絡獲取任何一個傳感器的數據并對該傳感器的參數進行設置，所設定的參數就保存在E2PROM中。

(3)能輸出經過校準后的壓力數字量和模擬量，它既是一個精密數字壓力傳感器，又是一個模擬式標準壓力傳感器，模擬輸出電壓在0～5V范圍內連續可調，可作為標準壓力信號源來使用。用戶不用主機即可獲得模擬輸出。

(4)可通過接口電路與PC機進行串行通信，一臺PC機最多可掛接89個傳感器。串行通信時有7種波特率可供選擇，最高達28800bit/s。上電后默認的波特率為9600bit/s。數字格式為1個起始位、8個數據位、1個停止位。

(5)有12種壓力單位可供選擇，包括國際單位制Pa(帕)、非國際單位制P0(大氣壓)、bar (巴)、mmHg(毫米汞柱)等，基本壓力電位是psi(磅／平方英寸)。量程從1psi到500psi(即 6.8946kPa～3.4473MPa)，總共有10種規格。

(6)利用內部的集成溫度傳感器來檢測傳感器溫度并對壓力進行補償。測溫誤差小于0.5℃。

(7)電源電壓的范圍是5.5～30V，工作電流為15～30mA，工作溫度范圍是－40～＋85℃。

3 工作原理

3.1 引腳功能
PPT、PPTR系列智能壓力傳感器的外形尺寸均為24.8mm×62.2mm。它有兩個壓力口P1和P2，以PPT系列為例，P1口適合接不易燃、無腐蝕性的液體或氣體，P2口只能接氣體。6芯插座上的第1腳為RS-232接口的正端，第2腳為負端。第3腳為外殼接地端(GND)，第4腳為直流電源輸入端(U S)，第6腳為模擬電壓輸出端(UO )。PPTR系列插座上的A～F依次對應于1～6腳，區別僅是A、B腳分別為RS－485接口的正端、負端。為了降低噪聲，做模擬輸出時需要單點接地，應將電源地、測量儀表(如數字電壓表)的參考地，直接連傳感器的信號地。

3.2 工作原理
PPT智能壓力傳感器的內部框圖如圖1所示。主要包括8部分：①壓力傳感器；②溫度傳感器；③16位A/D轉換器；④微處理器(umP)和隨機存取存儲器(RAM)；⑤電擦寫只讀存儲器(E2PROM)；⑥RS-232(或RS-485)串行接口； ⑦12位D/A轉換器(DAC)；⑧電壓調節器。下文中除具體說明系列號以外，所有PPT、PPTR系列均用PPT表示，并簡稱為PPT單元。

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PPT單元的核心部件是一個硅壓阻性傳感器，內含對壓力和溫度敏感的元件。代表溫度和壓力的數字信號送至 mP中進行處理，可在-40～＋85℃范圍內獲得經過溫度補償和壓力校準后的輸出。輸出形式見表1。在測量快速變化的壓力時，可選擇跟蹤輸入模式，預先設定好采樣速率的閾值，當被測壓力在閾值范圍內波動時，采樣速率就自動提高一倍。一旦壓力趨于穩定，又恢復正常采樣速率。 PPT還具有空閑計數功能，在測量穩定或緩慢變化的壓力時，可自動跳過255個中間讀數，延長兩次輸出的時間間隔。此外，它還可設定成僅當壓力超過規定值時才輸出或者等主機查詢時才輸出的工作模式。為適應不同環境，提高PPT的抗干擾能力，A/D轉化器的積分時間可在8ms～10s范圍內設定。

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PPT能提供三級尋址方式。最低級尋址方式是設備識別號ID。該地址級別允許對任何單個的PPT進行地址分配，ID的分配范圍是01～89。00為空地址，專用于未指定地址的PPT。因此，一臺主機最多可以配89個PPT。若某只PPT未被分配ID地址(或ID未被存入E 2PROM中)，上電后就分配為空地址。第二級尋址方式為組地址，地址范圍是90～98，共9組。通過ID指令，每個PPT都可以分配到一個組地址，允許主機將指令傳給具有相同組地址的幾個PPT。組地址的默認值為90。最高級尋址方式為全局地址，該地址為99。主機通過串行口可連接9組總共89個PPT。

4智能壓力傳感器的應用

4.1 PPT模擬輸出的配置
單獨使用一個PPT，能代替傳統的模擬式壓力傳感器。其最大優點是不需要校準即可達到高精度指標。PPT模擬輸出與測量儀表的接線如圖2所示。用戶既可通過數字電壓表(DVM)讀取壓力的精確值，亦可利用模擬式電壓表(V)來觀察壓力的變化過程及變化趨勢。對PPT進行設置后，它還能在傳送壓力數據的同時，接收來自控制處理器的閥門控制信號，以實現壓力自動調節，這對于壓力測控系統非常有用。閥門控制數據可以和壓力數據無關。

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4.2 遠程模擬壓力信號的傳輸與記錄
PPT的模擬信號可直接送給記錄儀來記錄壓力波形，但在遠距離傳輸模擬信號時很容易受線路干擾及環境噪聲的影響，還會造成信號衰減。為解決上述問題，可按圖3所示，在終端增加一個PPT。首先由PPT1發送壓力數據，然后遠程傳輸給 PPT2，再將PPT2的模擬輸出接記錄儀。這種方法適用于RS-485接口，傳輸距離可達數千米。若采用帶RS-232接口的PPT系列傳感器，需增加驅動器和中繼器。該方案的另一優點是傳輸速率快，當波特率選28800bit/s時，數據傳輸所造成的延遲時間不超過2ms。

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4.3 PPT與主機的接線
PPT與主機的接線如圖4所示。圖中的D9、D25 分別代表主機上的9針和25針插座。

4.4 RS-485多點網絡
RS-485網絡是以主機為起點、以距主機最遠端為終點，它采用多點網絡結構，亦稱星形網絡結構。這種網絡不僅傳輸距離遠，而且在不斷開網絡的情況下即可增、減PPT的數目。RS-485最多只能連接32個PPT單元，利用中繼器可擴展到89個 PPT單元。在RS-485的始端與末端，需分別并聯一只120Ω的電阻作匹配負載。

具有6個PPT單元的RS-485多點網絡如圖5所示。在該網絡中，各PPT單元的ID地址可以不按照順序排列。下面通過一個例子來介紹傳輸全局地址及分配組地址的過程：

(1)首先傳送全局指令*99WE和*99S＝00001234，這將使ID號為＃00001234的PPT單元在下一條指令之前指定自己的ID號，并做好接受新指令的準備。然后傳送*99WE，*99ID＝02， *02WE和*02SP＝ALL指令，完成設備ID的地址分配。只要在RS-485網絡上重復上述過程，即可完成ID地址的分配工作；

(2)分配組地址：一旦設置好設備的ID，即可進行組ID的分配。同一組中的每個PPT單元必須有一個始于01的子地址。子地址將告知每一個 PPT單元在組地址指令中的響應順序。若要設置設備ID＝02的組地址為91，子地址01，可傳送下述命令：*02WE，*02ID＝9101，*02WE，*02SP＝ALL。當第一條指令傳送到第91組時，ID＝02 的單元就會第一個做出響應。

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