龙先江

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

随着煤矿井下自动化程度的提高以及智能化的使用，传感器数量和种类不断增加，对传感器的要求也随之提高。常规传感器在现场很难或无法进行标定，时间久了还存在漂移、环境变化补偿固定不变、长距离传输容易受干扰、数据不易共享等问题，同时，控制器也无法判断传感器的工作状态是否正常。智能传感器可以有效地解决常规传感器存在的问题。智能传感器以微控制器（MCU）为核心，具有故障诊断、单站点多种数据采集、在线标定和远程升级等功能。

1 电路构成和工作原理

如图1所示，传感器电路由敏感元件、信号调理电路、数字信号控制器、温度传感器和通信接口组成。电路构成框图如图1所示。敏感元件检测压力变化并输出对应的电信号，该信号经信号调理电路变换到合适电压范围内，供控制器采集，控制器根据测量压力值和环境温度值，计算出实际压力值，完成压力测量值的温度补偿，同时，控制器还要判断压力值是否在正常范围内，并对其进行标识。除了图1所示基本环节外，还有传感器工作电源。

图1 电路构成框图

1.1 电源电路

传感器系统供电如图2所示，采用直流12 V本质安全型电源模块供电，系统所需的其他电压等级均由12 V电源降压转换而来。

压力敏感元件和仪表放大器工作时功率小，采用电阻网络分压得到10 V电压，再经电压跟随器缓冲输出驱动即可。

图2 电源

对于工作电流稍大的用电部件供电，先使用开关电源将12 V降压到3.6 V，再用低压差线性稳压芯片降压到3.3 V，不仅提供电源工作效率，还能增大传感器工作电压范围。直流3.6 V电源由MICROCHIP公司的MCP 16331开关电源集成芯片，外加少量元件降压得到，其效率高达96%，输入电压4.4～50 V，输出电压2～24 V，最大输出电流500 mA，工作频率500 kHz，高频率有利于电源小型化。

CPU使用的3.3 V电源，由TI公司生产的TPS799低压差线性稳压芯片进行二次稳压，输出端安装一个2.2 uF陶瓷电容保证稳定工作。TPS799输出200 mA时，输入、输出端的压差大于100 mV即可正常工作；入地电流（从图2中U2的第3脚流入地）40 μA时，电源抑制比和负载瞬态响应能力出色，线性稳压器效率大约为92%，12 V电源降到3.3 V电压的总效率约为88%.

1.2 敏感元件

采用麦克传感器公司的MPM270型高稳高精度压力敏感元件，它能直接感受压力的变化，并输出与被测压力成确定关系的电信号，电路结构如图3所示，压力敏感元件为一个4端口元件，其中IN+和IN-为内部元件的电源输入端口，OUT+和OUT-为测量压力的电压信号输出端口；非线性度±0.05%FS，重复性±0.02%FS，10%～90%量程内响应时间小于1 ms，满量程输出最小60 mV，工作温度－40～125℃。

1.3 信号调理

图3 敏感元件及信号调理

信号调理电路以ADI公司的仪表放大器AD8422为核心，AD8422是一款高精度、低功耗、低噪声轨到轨仪表放大器，单电源电压3.6～36 V；仪表放大器外围含精密电阻和电容，将敏感元件输出的电信号滤波、放大，将输出电压范围调整到0～3.3 V范围内，数字信号控制器集成的ADC模块可以直接采样并完成模/数转换。

1.4 数字信号控制器

MICROCHIP公司生产的dsPIC33F系列数字信号控制器，它集成了单片机（MCU）的控制功能以及数字信号处理器（DSP）的计算能力和数据吞吐能力。

数字信号控制器芯片选用18引脚的dsPIC33FJ12GP201，芯片采用改进型哈佛体系结构，程序存储器和数据存储器在不同的逻辑空间，同时使用指令总线和数据总线分离的哈佛总线结构，指令存储器和数据存储器可以同时访问，指令总线位宽24位，数据总线位宽16位；芯片支持16×16整数、小数硬件乘法器，32/16位和16/16位除；同时芯片内部还集成多种模块，比如看门狗电路、RC振荡电路、转换速率为0.5 Msps的12位模/数转换器、1个I2C串行通信接口、1个UART口、12 Kb Flash ROM和1 Kb RAM等。DSC及外围如图4所示。

图4DSC及外围

1.5 温度传感器

DS1624芯片将数字温度计与EEPROM集成一体，实现温度测量和数据存储；温度测量范围－55～125℃，分辨率为0.031 25℃，256字节EEPROM存储空间；两线串行通信接口和处理器通信，可以读取温度值、读写内部EEPROM的内容，温度值用于测量数据的温度补偿，同时也可以通过总线发送，进行辅助温度测量。

1.6 通信接口

传感器使用RS485串行通信接口，在RS485上实现MODBUS协议从站，便于传感器和其他系统互联；差分工作方式的RS485，最大传输速率10 Mbps，最大传输距离1 200 m。RS485的端头和端尾，需要匹配终端，最简单的终端就是短接120 Ω电阻，如图4中的电阻R7。

收发器使用ADM3483E集成芯片，最大波特率250 kbps，具有±15 kV的静电放电保护能力，还提供接收器开路保护、短路保护和热关断保护等，提高互联时的鲁棒性。

2 软件设计

传感器作为MODBUS从站挂接在RS485网络上，主要软件包括主循环程序和通信中断子程序。

2.1 主循环

如图5所示，程序主循环中压力采集与温度采集必须读取相邻时刻的值，读取时应该关闭中断，读完才能开中断服务，保证数据的有效性；数据处理主要完成温度补偿、数字滤波、线性化等工作；传感器在每个循环周期都标识自身工作状态，用以通知用户此时此刻采集数据是否真实有效。

2.2 通信中断程序

图5 主要流程

传感器通信中断过程如图5所示，通信数据出现在串行端口时，传感器串口会自动接收数据并产生中断，此时，CPU停止正在处理的工作，及时处理中断响应，在中断服务函数中判断“收到消息”是否有效，传感器只在接收到MODBUS主站发来的有效消息时才会回复消息（发送数据）；其他时候不会向总线发送任何消息。主要流程如图5所示。传感器使用主/从架构协议模式的MODBUS从站，其工作过程：主站发送查询报文然后等待从站响应→从站收到报文后执行相应的动作并发送报文→主站接收报文→一次报文发送接收过程结束。传感器通信帧格式如图6所示，地址域为传感器地址，功能码指明操作类型，数据段包含压力值、温度值和传感器状态等内容，差错校验为CRC（RTU模式）或LRC（ASCII码模式）。

图6 通信帧格式

3 结束语

传感器以dsPIC33F数字信号控制器为核心，压力值的模/数转换、数字滤波、温度补偿和串行通信等单芯片实现，不仅体积小，还能减少装配工序，增加可靠性；传感器数据输出采用通信接口，同一线路可以同时输出压力值和温度值，稍微改动便可实现单站点内多数据采集；由于传感器是基于RS485标准的MODBUS协议从站，理论上任何基于RS485的MODBUS协议主站设备都能与其互连，具有广阔的推广前景。