摘要：介绍了一种以 MSP430 单片机为核心的智能多参量变送器。 具体阐述了该变送器的工作原理、总体设计、硬件电路设计和软件设计框图。该变送器可适用于测量天然气、过热和饱和蒸汽、各种液体和各种标准气体的流量，并且可以和其它设备进行结合，实现工业现场流体测量与控制的智能化和多样化。

 

    本文介绍用 MSP430F5418A 单片机开发的新型智能多参量变送器。 其工作原理是：以高精度且带自身温度补偿的电容式差压传感器、扩散硅压力传感器与高精度热电偶为测量元件，通过自动测量流体的差压、压力、温度，并通过计算和多种补偿，得到并输出流体的体积流量、质量流量、体积积流、质量积流等。 本变送器采用了数据校正、数字滤波、多输出形式等技术，使其能更适应各种复杂的工况环境。 

 

    1 总体设计

    1．1 智能多参量变送器总体功能设计

    智能多参量变送器组成框图如图 1 所示，此变送器共有四种输入量，分别为 DS18B20 温度单总线信号输入（用于补偿电容式差压传器）、 电容式差压传感器的信号输入、PT1000 热电阻模拟量输入以及扩散硅压力传感器的模拟量输入。 变送器输出量为4～20mA 模拟量，通信采用两线 HART 通信协议，即在 4～20mA的模拟信号上叠加 FSK（Frequency Shift Keying，频移键控）数字信号，在 2 线供电回路上可以兼容模拟和数字 2 种信号。

 

 

 

    该变送器采用 LCD 方式进行数据显示，LCD 为字段显示（如图 2）， 采用 8com 动态显示，以合泰 HT1622 作为驱动芯片。主显示区为 8 位 8 段，字高约 10mm。辅助显示区为 6 位 8 段，字高约为 6～8mm。多参量变送器的各项流量测量的参数设定主要是通过手持式 HART 通信仪或上位机来设定；同时也可以通过干簧管或红外遥控来修改设定。

 

 

 

    1．2 总体特点

    1）超低功耗。 传感器调理电路及主板处理电路均选用超低功耗元器件，使得整机达到低功耗状态。 完全能满足仪表的各项参数测量与仪表的认证。 

 

    2）测量误差自动修正。 在此多参量变送器中，对三个传感器都有进行补偿与校准，使得测量更加的准确。 在流量测量当中，通过热电阻 PT1000 进行温度测量，再进行软件的补偿修正，可以大大提高变送器的数据准确及自适应能力。 

 

    3）多参量测量。 可以同时对多个参量进行测量，通过在软件当中增加多种数字滤波方法， 以将工况现场中对流量测量的干扰降到非常低。 

 

    4）模拟量输出及总线通信。 可以输出工业现场通用的 4～20mA模拟量信号， 同时也可以通过使用 HART 通信协议与其他智能设备与仪器组成大规模的流量测量与控制系统。 

 

    2 硬件设计

    2．1 MCU 选型

    通过对变送器所开发的功能及所需芯片片内资源进行深入研究后，非常终选用TI公司的MSP430F5418A为此变送器 的MCU。MSP430F5418A 芯片是 TI 公司推出的一个强大的16 位RISC CPU，具有超低功耗微、存储空间大、集成度高等优点。MSP430F5418A 微控制器的片内资源十分丰富，具有 16KB字节的SRAM，128K 字节的 FLASH，67 个 I ／ O 引脚，三个 16 位定时器，一个高性能的 12 位模拟／数字转换器（ADC），多达四个通用串行通信接口（USCI），一个硬件乘法器等。MSP430F5418A 除正常工作模式外，还有多达 5 种的低功耗模式设置，通过不同设定来让其工作时的功耗达到非常低。

 

    2．2 信号调理电路设计

    差压传感器使用的为上海自动化仪器公司生产的一款性能稳定，精度高的金属电容差压式传感器，差压传感器调理电路使用的电源来自于 4～20mA 环路当中，因此该调理电路的功耗可以满足在回路当中 4mA 以下可正常工作的要求，同时电路须要采用隔离措施，将传感器调理电路与主板电路进行隔离，以提高稳定及抗干扰性能。 差压调理电路如图 3 所示，主要原理：通过CPU 输出一个标准的周期信号来对差压传感器 H 端与 L 端的测量选择，根据电容的充放电转换，将电容信号转变为频率信号 f，频率信号 f 经过隔离芯片传送到主芯片当中，MCU 通过高精度计数器精确统计出脉冲个数，后可得出精准频率。 再通过频率与差压之间的关系准确地测量出差压值。

 

 

 

    温度与压力测量调理电路如图 4 所示，PT1000 热电阻与扩散硅压力传感器的信号采集方式是一致的， 是通过 ADI 公司的AD7794 芯片来处理完成。AD7794 是一款具有 6 通道、低噪声、低功耗、24 位 Σ－Δ 型的 ADC 芯片。 PT1000 热电阻与压力传感器均是由芯片内部输出 1mA 精密恒流源来作为激励，测量的基准电压是从一个与之串联的高精密低温漂的 1kΩ 电阻上获得，通过比率式测量，使得恒流源的波动对测量没有影响。

 

 

    2．3 4～20mA 模拟量输出及 HART 通信电路设计

    4～20mA 作为测量结果的模拟量输出是通过 AD421 接收MSP430 传送的数字信号来转换得到。 HART 通信电路主要由现 MSP430、A5191HRT和 AD421组成。 A5191HRT 接收叠加在 4mA～20mA 环路上的 FSK 信号，解调后传输给 MCU 或将MCU 产生的应答帧信息调制成 FSK 信号经波形整形器后由AD421 叠加在 4～20mA 环路上发送出去。图 5 中，A5191HRT与 MCU 的接口信号包括载波检测 OCD、 解调输出 ORXD、调制输入 ITXD、请求发送 INRTS。 HART 调制解调器的时钟信号来源于 MSP430 内部分频出来的 460．8kHz 频率信号。

 

 

    2．4 LCD 数据显示电路设计

    因MSP430F5418A 芯片不存在 LCD 驱动模块，非常终选用台湾合泰HT1622作为LCD的驱动芯片。HT1622 为 256 段（32x8）内置存储器的多功能 LCD 驱动器，支持串行通信，蜂鸣器，看门定时器或时基定时器功能。与 MCU 的通信线其只需要3 根，非常的简单。同时它内部包含省电指令，通过设定可以有效降低芯片功耗。

 

    3 软件设计

    多参量变送器的主程序流程图如 图 6 所 示。 首先初始化各个参数，进入测量计算周期后，先读取差压，压力及 PT1000 传感器测量数据，后判定测量的数据正常与否，当数据正常后，进行数据处理与补 偿， 而后计算多种流量参数并进行LCD 显示和数据输出与HART 通信。

 

 

    本多参量多变器已经在工业现场进行运用， 通过与上位机的通讯，实现了多种类型流体的测量，并在 HART 总线协议下，与现场 20 台各类变送器与控制器实现了流量计量与控制系统的集成。