基于M－BUS總線的智能氣壓傳感器的設計

基于m－bus總線的智能氣壓傳感器利用高精度氣壓傳感器、24位a/d轉換器ad7714、低功耗單片機p89lpc932完成對絕對氣壓的測量，并通過m－bus總線向上位機傳送測量結果。目前該儀器已在礦井風壓自動監測報警系統中得到應用。

煤層自然的必要條件之一是連續供氧（即漏風），而漏風與風壓有著密切的關系，故風壓是防治煤層自燃的重要參數，但目前一般由人工測量，需要大量的人力，且資料整理工作量大，測定值管理滯后，不能為日常的管理及時提供所需要的技術參數，影響了煤層自燃的防治和通防管理的科學化。礦井風壓自動監測報警系統可對自燃區域的風壓實現連續自動檢測，在出現異常時立即報警。

如圖1所示，各智能傳感器和通信分站組成m－bus總線網絡，通信分站通過發送不同的地址依次控制各智能傳感器執行測量工作，并讀取和存儲其測量數據；各通信分站與監控計算機組成rs－485總線網絡，監控計算機通過發送不同的地址依次選通各通信分站，并讀取其存儲的測量數據；監控計算機兼作web服務器，可實現檢測數據的網絡共享。系統中的核心部分是智能氣壓傳感器，它可測量氣體的絕對壓力和溫度，通過二者及智能風速傳感器測得的風速即可推算風壓。

硬件設計

供電方式

為減少供電電源的數量、降低費用、方便維護，各智能傳感器采用總線供電方式。因總線電阻會帶來壓降，當總線過長或智能傳感器過多時，總線末端的智能傳感器將供電不足，為此，各智能傳感器采用分時上電工作方式，即每一時刻只有一臺智能傳感器上電工作，而其余智能傳感器處于低功耗的空閑等待狀態。在空閑等待狀態下，只有微功耗穩壓器ht7150a（u1）、ht7130a（u2）和低功耗單片機p89lpc932上電，耗電僅300μa。

p89lpc932是philips公司推出的一款微控制器，其指令執行速度6倍于標準80c51器件。它集成了許多系統級的功能，如看門狗電路、eeprom、a/d轉換器、d/a轉換器等，特別是集成了cpu時鐘修改寄存器divm，通過設置divm可以降低cpu的工作頻率，大大降低功耗，本儀器中采用降低cpu工作頻率，進入空閑方式、關閉外圍電路（串口除外）等措施保證了空閑等待狀態下的低功耗。另外，p89lpc932還具有地址自動識別電路，在多機通信方式下，允許uart使用硬件比較，從串行數據流中識別出特定的地址，這樣就不必花費大量的軟件資源去檢查每一個從串口輸入的串行地址，只有當通信分站發送的地址與智能傳感器的地址相符時，智能傳感器才從低功耗的空閑等待狀態進入工作狀態，將p0.0置為高電平，q3、q2導通，絕對氣壓傳感器、a/d轉換器ad7714上電，執行一次測量，并將測量結果發送給通信分站，然后重新進入空閑等待狀態。通信分站接收并存儲測量結果后，再發送其他地址，選通別的智能傳感器，……，不斷循環。

整流橋d3既可實現供電端（1、2）的無極性連接，又可減少電路儲能對供電線的影響，符合本安儀表的設計要求。供電電源為隔爆兼本安型，具有雙重過壓、過流保護功能，對負載的等效電感、等效電容也有一定的限制，因此要增加總線上智能傳感器的數量，必須限制每臺智能傳感器的等效輸入電容、即c5要小。但c5作為電源濾波電容，必須保證p89lpc932可靠工作，所以電容值不能太小。在選取c5的電容值后，通過采用電阻r1來減小等效輸入電容，當p89lpc932從空閑狀態喚醒后，cpu工作頻率被調高，功耗增加，r1的壓降增大，引起u1、u2供電電壓不足，所以將穩壓器78l08的輸出電壓經d2提供給u2。

采集電路

絕對氣壓傳感器采用美國smi公司的全溫度補償oem壓力傳感器5501－030，內部為一惠斯登電橋，需恒流供電，為使儀器能分辨到pa，a/d轉換器選用美國ad公司的24位σ－δ式a/d轉換器ad7714，它內含1個程控放大器和3個全差分輸入通道，具有自校準，系統校準功能，雖然ad7714的轉換精度極高，但受限于恒流源u6、電壓基準d6，程控放大器增益的精度，因此采用了圖2所示的測量電路，因全差分輸入通道2（ain3與ain4）和3（ain5與ain6）的輸入阻抗極高，吸收電流可忽略，所以，流經絕對氣壓傳感器和精密電阻r9的電流均等于恒流源u2的電流i。每次測量都對通道2、3各執行一次自校準和轉換，因兩次轉換相隔時間很短，所以恒流i、基準電壓vref、程控放大器增益e均不會發生變化，兩通道的轉換結果分別為：

d2＝k×i×e/（vref/224）,

k為絕對氣壓傳感器的系數，

d3＝r9×i×e/（vref/224）

將以上兩式相除得：d2/d3＝k/r9。因在某氣壓p下k是恒定的，同時r9又是維持不變的（溫度系數小于5ppm），故在該氣壓p下的d2/d3也是不變的，與恒流i、基準電壓vref、程控放大器增益e無關。通過標定，可建立氣壓p與r9×d2/d3一一對應關系。實測時，先得到r9×d2/d3，再查表計算氣壓p。

通信電路

智能傳感器和通信分站組成m－bus總線網絡，智能傳感器作為從機、將測量結果傳送給通信分站，再由通信分站遠傳給監控計算機。m－bus總線是一種用于遠程儀表讀取數據的歐洲標準，它有如下特點：兩線制總線，不分正負極性，施工簡單；采用獨特的電平特征傳輸數字信號，抗干擾能力強；總線可以為每一通信節點提供3.3v/3ma的穩壓電源，為儀表提供兩種供電方式；可采用任意總線拓撲結構，系統組網成本低、擴展靈活，總線采用12－42v電源供電，具有本質安全的防爆特性；專門設計的報文格式，滿足能耗計量表聯網和遠程讀數需要；通信過程完全由主機控制，任一通信節點故障不影響整個總線，m－bus總線的上述特點很好地滿足了本系統測點分散，智能傳感器分布范圍較廣，工作環境惡劣，井下設備防爆等要求。

m－bus總線系統中，主機向從機發送數據時采用的是改變總線電壓而總線電流保持不變的電壓調制方式；從機向主機發送數據時采用的是總線電流調制，而總線電壓保持不變，從機接口采用專用芯片tss721a，主機接口無產品，故自行設計，并已申請國家專利，tss721a具有動態電平辨識機制，可檢測總線電壓變化，并從tx端輸出，從機發送數據從rx端輸入，rx為高電平時總線電流維持不變；rx為低電平時，總線增加一固定電流。

當智能傳感器發送數據時，tss721a的需要的工作電流增加，將p1.6置為高電平，q1、光耦nec2501－1導通，tss721a的電流調節輸入端ridd經過電阻r5接地，可達到此目的，空閑狀態時，p1.6位低電平，q1、光耦nec2501－1截止，tss721a電流調節輸入端ridd經過r5和r6的電阻接地得到的從機電流減小，從而減少功耗，為防止單片機與通信電路相互干擾，采用光耦6n139將二者隔離。

軟件設計

軟件的設計內容包括主程序、串口中斷服務子程序、氣壓測量子程序、溫度測量子程序等。主程序流程圖如圖3所示。