高精度壓力變送器的設計

1、長春大學 畢業(yè)設計（論文）紙高精度壓力變送器的設計摘要：隨著網絡技術、信息技術和自動化技術的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)儀表易失控，互換性和可靠性等缺點的不足日益明顯，越來越不能滿足用戶的需求。新的總線型儀表除了能夠完成基本的測量功能外，還應具有控制功能和現(xiàn)場總線通信功能?，F(xiàn)場總線技術的發(fā)展改變了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結構，在總線條件下與控制網絡相結合，逐漸形成網絡集成式全分布控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。本文選用Silicon Labs公司的C8051F系列微控制器和Keller 10系列壓阻式壓力傳感器，開發(fā)了一種高精度壓力變送器。該壓力變送器是通過壓力傳感器采集信號，再將采集后的模擬信號通過AD7793芯片轉換成數(shù)

2、字信號，然后傳輸?shù)絾纹瑱C進行處理，單片機對采集回來的壓力信號進行轉換、存儲及顯示，然后當上位機需要壓力變送器所測得的數(shù)據(jù)時，利用CAN總線技術將單片機的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機進行處理。該壓力變送器主要是由壓力傳感器、模數(shù)轉換模塊、控制模塊、穩(wěn)壓模塊、存儲模塊、通信模塊等組成。壓力變送器的壓力測量精度為0.010.03%FS，傳感器線性度較高。本文結合C8051F500單片機的低功耗特性和技術要求，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性，達到了高精度壓力變送器的要求。關鍵詞：壓力變送器；可靠性；現(xiàn)場總線Design of High Precision Pressure TransmitterAbstrac

3、t： Along with the network technology, the rapid development of information technology and automation technology, traditional instrument easy out of control, compatibility and reliability shortcoming of increasingly apparent, more and more can't meet the needs of users. New main line instrument i

4、n addition to being able to complete basic measurement function, but also has the function of control and field bus communication. The development of field bus technology has changed the traditional control system structure, under the condition of the bus and the combination of control network, grad

5、ually formed network integrated total distributed control system, field bus control system.In order to meet with the requirements of field bus instrument, a high accuracy pressure transmitter has been developed. It has exploited the Silicon Labs products: C8051F series microcontroller and Keller 10

6、series pressure stop pressure sensor. The pressure transmitter is the signal of the pressure sensor, and then the analog signal is converted into digital signal through AD7793 chip, and then transmitted to the microcontroller processing, microcontroller on the acquisition of the back pressure signal

7、 of conversion, storage and display and when PC need pressure transmitter the measured data using CAN bus technology will MCU data is sent to the host computer for processing. The pressure transmitter is mainly composed of pressure sensor, analog module, control module, voltage regulator module, mem

8、ory module and communication module.The rating of pressure measurement precision of the transmitter is 0.010.03%FS and the sensor is characteristic of high linearity. With the low wastage and the technologic requirements of the C8051F500 SCM, the reliability, autonomy and flexibility of the system a

9、re improved, and the requirements of high precision pressure transmitter are achieved.Keywords：Pressure Transmitter, Reliability, Field busii裝訂線長 春 大 學 畢業(yè)設計（論文）紙目錄第1章 緒論11.1 課題的研究背景及意義11.2 國內外研究現(xiàn)狀11.3 本文的總體結構與內容安排2第2章 系統(tǒng)整體設計方案42.1 總體設計方案42.2 系統(tǒng)主要模塊的選擇42.2.1 控制模塊42.2.2 模數(shù)轉換模塊52.2.3 通信模塊5第3章 系統(tǒng)硬件設計73.

10、1 系統(tǒng)控制模塊73.1.1 C8051F500控制電路73.1.2 C8051F500工作原理83.2 穩(wěn)壓電源模塊103.3 存儲模塊113.3.1 AT24CL256存儲電路113.3.2 AT24CL256的寫操作原理113.3.3 AT24CL256的讀操作原理123.4 壓力傳感器模塊133.4.1 壓阻式壓力傳感器工作原理133.4.2 壓力傳感器模塊電路133.5 AD轉換模塊143.5.1 AD7793電路原理143.5.2 AD7793工作原理153.6 通信模塊193.6.1 通信電路193.6.2 CAN控制器工作原理19第4章 軟件程序設計204.1 高精度壓力變送器

11、組網程序設計204.1.1 高精度壓力變送器組網結構204.1.2 壓力變送器基本工作流程204.2 系統(tǒng)的主程序及各個子程序設計214.2.1 系統(tǒng)主程序設計214.2.2 AD轉換模塊子程序設計224.2.3 串口通信模塊子程序設計234.2.4 存儲模塊子程序設計24第5章 總結25致謝26參考文獻27II第1章 緒論1.1 課題的研究背景及意義在許多工業(yè)生產設計中，壓力變送器是工業(yè)設備中用以控制工業(yè)過程和壓力變化的重要元件。壓力變送器是指以輸出為標準信號的壓力傳感器，是一種接受壓力變量比例轉換為標準輸出信號的儀表。它可以將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉變成標準的電信號

12、，以供給指示記錄儀、報警儀、調節(jié)器等二次儀表進行測量、過程和指示調節(jié)。例如在工業(yè)生產過程中，操作人員需要實時的了解生產過程中的精確壓力變化，據(jù)此才能更精確地下達操作指令，完成工業(yè)生產。因此，壓力變送器是工業(yè)生產過程中必不可少的測量儀器，也是工業(yè)自動化控制的基本數(shù)據(jù)來源，也是最主要的數(shù)據(jù)來源之一。壓力變送器廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境，包括鐵路交通、水利水電、智能建筑、航空航天、軍工、石化、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。壓力變送器是直接與被測介質相接觸的現(xiàn)場儀器，常常在高溫、低溫、腐蝕、振動和沖擊等環(huán)境中工作。世界各國對壓力變送器的研究都十分廣泛，幾乎滲透到了各個行業(yè)，但歸納起來主要有以下幾種

13、，它們分別是：陶瓷壓力變送器、擴散硅壓力變送器、壓電壓力變送器和電容式壓力變送器等。(1)陶瓷壓力變送器陶瓷是一種公認的高彈性、抗磨損、抗腐蝕、抗沖擊和振動的材料。高特性低價格的陶瓷壓力變送器會是壓力變送器的未來發(fā)展方向。(2)擴散硅壓力變送器被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，傳感器的電阻值發(fā)生變化。用電子線路檢測這一變化，可以轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。(3)壓電壓力變送器壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括石英、酒石酸鈉鉀和磷酸二氫胺。(4)電容式壓力變送器陶瓷電容傳感器適用于正?；蛴懈g性介質的測量，如氣體或液體，但不

14、傾向于沉淀，結晶或加勁材料。常應用于測量船艙液位、海水、船上用水、柴油和廢油。1.2 國內外研究現(xiàn)狀壓力變送器是很多工業(yè)設備中用以控制工業(yè)過程和壓力變化的重要元件。壓力變送器用于測量氣體、液體或蒸汽的液位、壓力和密度，然后將壓力信號轉變?yōu)?20mADC信號輸出。壓力變送器的發(fā)展大體經歷了四個階段：1. 早期的壓力變送器精度低而且笨重，如水銀浮子式差壓計和膜盒式差壓變送器；2. 20世紀50年代有了精度稍高的力平衡式差壓變送器，但它的結構復雜，反饋力小，可靠性和穩(wěn)定性較差；3. 70年代中期，在電子技術的飛速發(fā)展下，出現(xiàn)了體積小而且結構簡單的位移式變送器；4. 90年代科學技術迅猛發(fā)展，壓力變送

15、器的測量精度高而且逐漸向智能化發(fā)展，數(shù)字信號傳輸更有利于數(shù)據(jù)的采集。當今世界各國壓力變送器的研究領域十分廣泛，幾乎滲透到了各個行業(yè)，但歸納起來主要有以下幾個趨勢：1. 標準化：壓力變送器的設計和制造已經形成了一定的行業(yè)標準；2. 廣泛化：壓力變送器的發(fā)展趨勢是正在逐步擴展到汽車領域、醫(yī)療領域和能源領域。3. 智能化：隨著集成化的發(fā)展，在集成電路中可以添加一些微處理器，使變送器具有自動補償和邏輯判斷等功能；4. 集成化：壓力變送器已經與其他測量用變送器越來越多的集成以形成測量和控制系統(tǒng)。集成系統(tǒng)在控制過程和工廠的自動化中可提高操作速度和效率；5. 小型化：市場對小型壓力變送器的需求越來越大，這種

16、小型變送器可以工作在極端惡劣的環(huán)境下，并且只需要很少的保養(yǎng)和維護，對周圍的環(huán)境影響也很小，可以放置在人體的各個重要器官中收集資料，不影響人的正常生活。1.3 本文的總體結構與內容安排本文的設計是高精度壓力變送器，主要通過CAN技術將工業(yè)生產過程中所測量得到的壓力值，壓力變化等參數(shù)通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行處理，從而實現(xiàn)檢測結果可以快速可靠的傳輸以及上位機采集命令的接收。論文安排內容如下：第 1 章：緒論。本章介紹了壓力變送器的研究背景及意義、國內外發(fā)展現(xiàn)狀，概述了系統(tǒng)的研究內容與目標；第 2 章：系統(tǒng)整體設計方案。本章對壓力變送器的相關理論基礎及原理進行介紹。首先介紹了壓力變送器的工

17、作原理，接著介紹了壓力變送器的各部分組成，及芯片的選取，通過芯片的選擇和組成，從而實現(xiàn)壓力變送器的各項功能；第 3 章：高精度壓力變送器的硬件設計。本章分別闡述了各個模塊的工作原理，包括主控模塊、電源模塊、存儲模塊、信號轉換模塊、通信模塊、壓力傳感器模塊等硬件電路的介紹；第 4 章：高精度壓力變送器的軟件設計。本章包括系統(tǒng)整體的工作流程分析、各個組成模塊的軟件功能分析等；第 5 章：全文總結。本章對本文的研究工作進行總結，并指出了下一步研究工作的重點。第2章 系統(tǒng)整體設計方案壓力變送器是一種將壓力變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表，主要用于工業(yè)過程壓力參數(shù)的測量和控制。本文旨在設計一種壓力

18、變送器，該變送器由傳感器、信號轉換器及控制單元組成。該變送器輸出信號與壓力變量之間具有一定的函數(shù)關系。此外，該變送器還具有通信功能，利用CAN技術實現(xiàn)檢測結果的傳輸以及上位機采集命令的接收。2.1 總體設計方案該壓力變送器是通過壓力傳感器采集信號，再將采集后的模擬信號通過AD7793芯片轉換成數(shù)字信號，然后傳輸?shù)絾纹瑱C進行處理，單片機對采集回來的壓力信號進行轉換、存儲及顯示，然后當上位機需要壓力變送器所測得的數(shù)據(jù)時，利用CAN總線技術將單片機的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機進行處理。該壓力變送器主要是由壓力傳感器、模數(shù)轉換模塊、控制模塊、穩(wěn)壓模塊、存儲模塊、通信模塊等組成，原理框圖如圖2.1所示。圖2.1

19、高精度壓力變送器原理組成2.2 系統(tǒng)主要模塊的選擇2.2.1 控制模塊單片機是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區(qū)別。單片機擁有基于復雜指令集（CISC）的內核，雖然速度不快，12個振蕩周期才執(zhí)行一個單周期指令，但其端口結構為準雙向并行口，可兼有外部并行總線，故其擴展性能非常強大。本設計選用的是C8051F系列的C8051F500芯片。C8051F500單片機由Silicon Labs公司推出，是業(yè)內最小封裝的微控制器(MCU)（小至2mmx2mm），不會犧牲性能或集成性。完整的小型封裝產品線包括高

20、達100MIPs的CPU、12-位ADC、12-位DAC以及其他重要的模擬外圍設備，如集成精密振蕩器(±2%)和精密溫度傳感器(±2°C)。還提供成本敏感、引腳兼容的一次性可編程(OTP)選項。應用程序可以使用MOVC和MOVX指令對FLASH進行讀或改寫。C8051F500使用Silicon Labs公司的專利CIP-51微控制器核。CIP-51與MCS-51指令集是兼容的，使用標準803x/805x的匯編器以及編譯器進行軟件的開發(fā)。CIP-51的指令執(zhí)行速度是標準8051指令執(zhí)行速度的12倍，其峰值執(zhí)行速度可達100MBPS，并且沒有執(zhí)行時間大于8個系統(tǒng)時鐘周

21、期的指令。2.2.2 模數(shù)轉換模塊目前單片機在電子產品中已得到廣泛應用，許多類型的單片機內部已帶A/D轉換電路，但此類單片機會比無A/D轉換功能的單片機在價格上高幾元甚至很多，我們采用一個普通的單片機加上一個A/D轉換器，實現(xiàn)A/D轉換的功能，串行和并行接口模式是A/D轉換器諸多分類中的一種，但卻是應用中器件選擇的一個重要指標。在同樣的轉換分辨率及轉換速度的前提下，不同的接口方式會對電路結構及采用周期產生影響。在本設計中我們選用的是AD7793，該芯片在單片機接口中應用廣泛，串行A/D轉換器具有功耗低、性價比較高、芯片引腳少等特點。AD7793適合高精度的測量應用，具有低噪聲和低功耗的特點，能

22、夠完整模擬前端。芯片內置了一個低噪聲的16位或24位-型ADC，含有3個差分模擬輸入，同時集成了一個片內低噪聲儀表放大器。當增益設置為64、更新速率為4.17Hz時，均方根（RMS）噪聲為40nV。2.2.3 通信模塊本設計采用CAN總線進行通信?？刂破骶钟蚓W絡(Controller Area Network)，通常稱作CAN，是由以研發(fā)和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標準（ISO11898），是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在汽車行業(yè)，出于對安全性、方便性、低污染和低成本的要求，開發(fā)出各種電子控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)間通信所使用的數(shù)據(jù)類型和可靠性不完全一樣，多條總

23、線構成的系統(tǒng)很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應進行大量數(shù)據(jù)的高速通信的需要，1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出了面向汽車的CAN通信協(xié)議。在那之后，CAN通過ISO11519及ISO11898進行了標準化，成為歐洲的汽車網絡標準協(xié)議。本設計選用的C8051F500芯片內部已集成了CAN接口，而收發(fā)器選擇的是TI公司生產的SN65HVD230。該器件適用于較高通訊速率和良好抗干擾能力以及高可靠性的CAN總線的串行通信。隨著集成技術的不斷發(fā)展，為了節(jié)省功耗，縮小電路體積，一些新型CAN總線控制器的邏輯電平均采用LVTTL，這就需要和之相適應的總線收發(fā)器。TI公司生產的SN65HVD230型電路非常

24、好地解決了這個問題。第3章 系統(tǒng)硬件設計壓力變送器是一種將壓力變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表，主要用于工業(yè)過程壓力參數(shù)的測量和控制。本文旨在設計一種壓力變送器，該變送器由傳感器、信號轉換器及控制單元組成。該變送器輸出信號與壓力變量之間具有一定的函數(shù)關系。此外，該變送器還具有通信功能，利用CAN總線技術實現(xiàn)檢測結果的傳輸以及上位機采集命令的接收。下面，就詳細介紹各控制模塊。3.1 系統(tǒng)控制模塊本設計通過軟件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和處理，所以對控制單元的處理速度要求較高，可供選擇的有ARM和高速8位單片機。ARM的處理速度極快，但對于本應用，ARM內部的資源浪費嚴重且成本較高，因此選擇高速8位單

25、片機作為控制器，常見的高速8位單片機有AVR系列單片機，本設計選用的是C8051F系列中的C8051F500 單片機。3.1.1 C8051F500控制電路C8051F500最小系統(tǒng)電路圖如圖3.1所示。系統(tǒng)采用3.3V電壓供電，因此DVDD接3.3V。系統(tǒng)時鐘電路采用外部晶振，本文選取4MHz晶振作為系統(tǒng)的時鐘輸入。腳1為模數(shù)轉換啟動信號，腳2是I/O端口電源電壓，腳3是電壓調節(jié)器輸入，腳4和腳6分別是數(shù)字電源和地，腳5和腳7分別是模擬電源和地，腳8可作為基準電壓，本系統(tǒng)的程序通過C2D1與C2CK1進行下載，與C8051F500的11和12腳相連。腳27、28、29和30接顯示接口，腳35

26、和36接存儲芯片，腳39、40、41和42接AD7793芯片，腳43和44接CAN收發(fā)器，腳45和46分別是串口通信的接收和發(fā)射，腳47和48接晶振，剩下的都是I/O端口。圖3.1 C8051F500芯片電路圖3.1.2 C8051F500工作原理C8051F500的工作是通過一系列寄存器的配置來實現(xiàn)的，下面對主要的寄存器進行介紹。1. 程序狀態(tài)寄存器PSWPSW是一個8位二進制寄存器，用來存放指令招待后的有關CPU的狀態(tài)，通常由CPU來填寫，但是用戶也可以改變各狀態(tài)位的值。程序狀態(tài)寄存器的定義如表3-1所示。CY是僅為標志，AC則是輔助進位標志。F0為用戶標志0，這是一個可位尋址、受軟件控制

27、的通用標志位。OV是溢出標志，PARITY是奇偶標志，累加器中 8 個位的和為奇數(shù)時該位被置 1，為偶數(shù)時被清 0。表3-1 PSW：程序狀態(tài)寄存器位7位6位5位4位3位2位1位0R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WRCYACF0RS1RS0OVF1PARITY該寄存器中的RS1至RS0用于選擇訪問寄存器時所使用的寄存器區(qū)，不同的地址對應不同的寄存器去，其定義如表3-2所示。表3-2寄存器選擇位RS1-RS0定義RS1RS0寄存器區(qū)地址0011010101230x00-0x070x08-0x0F0x10-0x170x18-0x1F2. 中斷允許寄存器C8051F500包含一個擴展的中斷系

28、統(tǒng)，有兩個可選擇的優(yōu)先級。中斷源在內部與外部的分布隨著器件的不同而發(fā)生變化。每個中斷源都有一個或多個中斷標志在一個SFR中。當周圍或外部源滿足有效的中斷條件時，相應的中斷標志位被設置為邏輯1。中斷請求時產生的中斷標志將被放置在一個中斷源被允許后。如果當前的指令執(zhí)行能夠結束，CPU會產生一個LCALL到預定的地址，準備開始中斷服務例程（ISR）。每個ISR必須以RETI指令結束，這使程序返回到中斷的指令的下一條指令。假設中斷不被允許，中斷標志將被硬件忽略，程序繼續(xù)正常執(zhí)行。不管每個中斷允許位的設置如何，清除EA位將禁止所有中斷。在EA位被清0期間所發(fā)生的中斷請求被掛起，直到EA位被置1后才能得到

29、服務。中斷允許寄存器的定義如表3-3所示。EA表示允許所有中斷。ESPI0是串行外設接口（SPI0）中斷允許位。ET2是定時器2中斷允許位。ES0是UART0中斷允許位。ET1是定時器1中斷允許位。EX1是外部中斷1允許位。ET0是定時器0中斷允許位。EX0是外部中斷0允許位。表3-3 IE：中斷允許寄存器位7位6位5位4位3位2位1位0R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WEAESPI0ET2ES0ET1EX1ET0EX03. 外部振蕩器控制寄存器外部振蕩器電路可以驅動外部晶振、電容或RC網絡，也可以設置使用一個外部時鐘。外部晶振必須與XTAL1和XTAL2引腳相聯(lián)，同時并聯(lián)一個1

30、0M的電阻。使用外部振蕩器電路時，必須對所用端口引腳進行配置。當在晶體/陶瓷諧振器、電容或RC方式使用外部振蕩器電路時，應將所用的端口引腳配置為模擬輸入。在CMOS時鐘方式，應將所用的端口引腳配置為數(shù)字輸入。XTLVLD是晶體振蕩器有效標志，XOSCMD2-0表示外部振蕩器方式位，XFCN2-0表示外部振蕩器頻率控制位。該狀態(tài)寄存器的定義如表3-4所示。表3-4 OSCXCN：外部振蕩器控制寄存器位7位6位5位4位3位2位1位0RR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WXTLVLDXOSCMD2XOSCMD1XOSCMD0保留XFCN2XFCN1XFCN0其中，XOSCMD2-XOSCMD0

31、表示外部振蕩器方式位，這些位選擇外部振蕩器的工作模式。具體的定義如表3-5所示。表3-5 XOSCMD2-XOSCMD0定義XOSCMD2XOSCMD1XOSCMD0模式00011110110011X010101外部振蕩器電路關閉外部CMOS時鐘方式外部CMOS時鐘方式二分頻RC振蕩器方式電容振蕩器方式晶體振蕩器方式晶體振蕩器方式二分頻3.2 穩(wěn)壓電源模塊由于電路的芯片有不同的工作電壓，為了保證各個芯片的正常工作，我們需要設計穩(wěn)壓電路，為電路提供穩(wěn)定的直流電源，確保壓力變送器以及各個器件可以正常準確的運行。本設計選用LM2937-3.3電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器是正電壓穩(wěn)壓，能夠提供高達500mA的

32、負載電流。其中1腳是正輸入端，在這個管腳處必須加一個適當?shù)妮斎肱月冯娙輥頊p小暫態(tài)電壓，同時為LM2937-3.3提供所需的開關電流。2腳是接地端，3腳則是輸出端。具體電路圖設計如圖3.2所示：圖3.2 穩(wěn)壓電路3.3 存儲模塊由于壓力變送器會測得大量的數(shù)據(jù)，而我們無法實時的進行接收這些數(shù)據(jù)或進行讀取，所以我們需要對這些所測得的壓力值數(shù)據(jù)進行必要的保護，因此需要選用合適的E2PROM來存放CPU讀取到的壓力變送器所測得的數(shù)據(jù)以及保護壓力變送器的工作狀態(tài)參數(shù)等。本文選用的是AT24C系列的AT24CL256芯片，它具有體積小、功耗低、工作電壓允許范圍寬等特點；而且占用I/O口線少，容量擴展方便靈活

33、，讀寫操作相對簡單。3.3.1 AT24CL256存儲電路AT24CL256存儲電路圖如圖3.3所示，該芯片采用3.3V供電，與C8051F500單片機采用兩線制I2C進行通信。SCL為串行時鐘線，與C8051F500的35腳相連；SDA為串行數(shù)據(jù)線，與C8051F500的36腳相連。由于一片AT24CL256即可滿足系統(tǒng)的存儲要求，將A0，A1，A2引腳直接接地即可。圖3.3 AT24CL256電路圖3.3.2 AT24CL256的寫操作原理寫操作從主器件的起始位開始，后加4位控制碼。再然后的3位是尋址位或片選位。最后主發(fā)送器將R/W位發(fā)送給總線。從器件需在第九個時鐘周期產生一個確認位。主器

34、件發(fā)送的第二個字節(jié)是低位地址字節(jié)或高位地址字節(jié)。這兩種情況下，AT24CL256將使每一個地址字節(jié)和地址確認地址位為設備地址計數(shù)器。對于AT24CL256，只使用地址字節(jié)的低4 位，高4位可為任意值。AT24CL256可以發(fā)出確認信號ACK在送出最后一個地址字節(jié)之后。在接收到該確認信號后，主器件將發(fā)送數(shù)據(jù)字，數(shù)據(jù)字將被寫入內存位置。AT24CL256再次發(fā)出確認信號后，主器件會啟動內部寫周期并且產生停止條件。如果WP引腳維持正常高寫內存的操作，該裝置將確認命令，但不會啟動寫周期，不會寫數(shù)據(jù)，會立即接受新的命令。寫命令發(fā)送后，內部地址計數(shù)器增加，指向下一個地址位置。寫入周期期間，AT24CL25

35、6不會對命令進行確認。圖3.4 寫操作：低位地址器件圖3.5 寫操作：高位地址器件3.3.3 AT24CL256的讀操作原理在控制寄存器的R/W位設置為1之后，讀操作和寫操作差不多是一樣的。有三種基本的讀操作，分別是當前地址的讀操作、當前地址的隨機讀操作和連續(xù)讀操作。1. 當前地址的讀操作AT24CL256內置自動加1地址計數(shù)器，這個計數(shù)器會保留最后一次訪問的地址。所以，如果之前對地址n（n為任意合法地址）進行讀操作或者寫操作，那么下一條讀操作命令可能會從地址n + 1訪問數(shù)據(jù)。在接收到R/W位的設置是1的控制字節(jié)之后，AT24CL256將發(fā)送一個確認信號，同時發(fā)送 8位數(shù)據(jù)字節(jié)。主要設備不進

36、行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_認，但它會產生一個停止條件，AT24CL256 就不會發(fā)送數(shù)據(jù)。圖3.6 當前地址讀操作2. 隨機讀操作隨機讀操作允許主設備以一個隨機的方式訪問任意內存。地址字節(jié)必須設置在指令執(zhí)行之前（R/W設置為0）。主設備接收所產生的初始條件的確認信號，在內部地址計數(shù)器設置，寫操作被終止。主器件發(fā)送控制字節(jié)，而字節(jié)R/W位設置為1。AT24CL256會發(fā)出確認信號在主器件發(fā)送控制字節(jié)之后，并且會發(fā)送8位數(shù)據(jù)字節(jié)。主器件不進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_認，但它會停止，同時AT24CL256停止數(shù)據(jù)的發(fā)送，內部地址計數(shù)器加1指向下一條地址在隨機讀取命令。圖3.7 隨機讀操作3. 連續(xù)讀操作連續(xù)讀操作的起動過程

37、和隨機讀操作是差不多相同的，區(qū)別在于當AT24CL256發(fā)送完第一個數(shù)據(jù)字節(jié)之后，主要設備會發(fā)出一個確認信號，而隨機讀操作發(fā)送的是一個停止的條件。在收到確認信號后，AT24CL256會發(fā)送下一個連續(xù)地址的數(shù)據(jù)字節(jié)。在AT24CL256向主要設備發(fā)送最后一個字節(jié)之后，它會產生一個停止條件。因為想要進行連續(xù)讀操作，AT24CL256內置的地址指針在每次結束操作以后加1。地址指針允許一個操作來讀取整個存儲器的內容不斷。在最后一個地址時，地址指針會指向地址0x00。圖3.8 連續(xù)讀操作3.4 壓力傳感器模塊壓力傳感器是該電路的重要器件，需要用它測量壓力值，然后傳輸?shù)紸D轉換模塊。將壓力傳感器所測得的模

38、擬信號轉化為數(shù)字信號，在傳輸給控制模塊進行處理和記錄。本設計選用的是瑞士Keller10系列壓阻式壓力傳感器。10系列壓力傳感器適用于100mbar到1000bar（10kPa100MPa）的一切壓力范圍，靈敏度高，在2bar以上的標準范圍內，1mA激勵電流可以得到200mV信號。3.4.1 壓阻式壓力傳感器工作原理壓阻式壓力傳感器通過導線接入惠斯登電橋。沒有外部壓力刺激敏感芯片時，電橋處于平衡態(tài)。傳感器的壓縮芯片電阻的變化使電橋失去平衡，如果一個恒定電流源或電壓源添加到電橋，就會輸出相應的壓電信號，使傳感器的電阻通過電橋轉換為壓力信號輸出。3.4.2 壓力傳感器模塊電路壓力傳感器的電路原理如

39、圖3.9所示。該壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)為模擬數(shù)據(jù)，而C8051F500只能處理數(shù)字量。因此，壓力傳感器采集到的數(shù)據(jù)需要經過AD轉換后，才能送至C8051F500進行處理及存儲。圖3.9 壓力傳感器電路圖3.5 AD轉換模塊由于本文選取的壓力傳感器為Keller10系列傳感器，該傳感器靈敏度高，在2bar以上的標準范圍內，1mA激勵電流可以得到200mV信號。因此，需要選取高精度的AD轉換芯片。本文選用具有24位分辨率的高精度AD轉換芯片AD7793，該芯片可以采用內部時鐘或外部時鐘工作，輸出數(shù)據(jù)速率可通過軟件編程設置，可在4.17Hz至470Hz的范圍內變化。AD7793采用2.7V至5.25V

40、電源供電，典型功耗為400µA。3.5.1 AD7793電路原理AD7793的電路原理如圖3.10所示。該芯片采用3.3V供電，因此DVDD和AVDD都接至3.3V。該芯片采用SPI總線與C8051F500進行通信，SCLK作為同步時鐘，與C8051F500的42腳相連，片選端CS與C8051F500的41腳相連，數(shù)據(jù)輸入腳DIN與C8051F500的40腳相連，數(shù)據(jù)輸出腳DOUT與C8051F500的39腳相連。該芯片的模擬數(shù)據(jù)輸入采用差分輸入方式，選用1路差分，即AIN1+和AIN1-。AD7793采用外部恒壓源作為參考電壓，參考電壓經計算為1.5V，外部參考電壓及電壓基準電路如

41、圖3.11和圖3.12所示。圖3.10 AD7793電路圖圖3.11 AD7793電壓基準圖3.12外部參考電壓3.5.2 AD7793工作原理AD7793的工作狀態(tài)主要是通過C8051F500配置AD7793內部自帶的通信寄存器、狀態(tài)寄存器、模式寄存器、配置寄存器和數(shù)據(jù)寄存器來實現(xiàn)的。下面對其一一進行介紹。1. 通信寄存器（RS2，RS1，RS0=0，0，0）通信寄存器是一個8位只寫寄存器，該寄存器的格式如表3-6所示。器件之間的所有通信都是從通信寄存器的寫操作開始的。數(shù)據(jù)寫入通信寄存器將決定哪些寄存器的讀或寫操作。對于讀/寫操作，當對選定寄存器的讀/寫操作完成后，接口返回到對通信寄存器執(zhí)行

42、寫操作的狀態(tài)。這是接口的默認狀態(tài)，在上電或復位后，ADC將處于此默認狀態(tài)，等待對通信寄存器的寫操作。當接口時序丟失之后，執(zhí)行一個占用至少32個串行時鐘周期的寫操作，并使DIN處于高電平狀態(tài)，將可以復位整個器件，從而讓ADC返回此默認狀態(tài)。表3-6列出了通信寄存器位功能描述。CR0至CR7表示位的位置，CR說明這些位屬于通信寄存器。CR7表示數(shù)據(jù)流的第一位。括號中的數(shù)值表示該位的上電/復位默認狀態(tài)。表3-6 通信寄存器定義CR7CR6CR5CR4CR3CR2CR1CR0WEN（0）R/W（0）RS2（0）RS1（0）RS0（0）CREAD（0）0（0）0（0）該寄存器中的RS2至RS0用于寄存器

43、的選取，設置不同的數(shù)據(jù)對應不同的寄存器，其定義如表3-7所示。表3-7 寄存器選擇位RS2-RS0定義RS2RS1RS0寄存器000001111000110011001010101 寫操作期間為通信寄存器讀操作期間為狀態(tài)寄存器模式寄存器配置寄存器數(shù)據(jù)寄存器ID寄存器IO寄存器失調寄存器滿量程寄存器2. 狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器是一個8位只讀寄存器。要訪問該狀態(tài)寄存器，用戶必須對通信寄存器進行寫操作，選擇下一個操作為讀操作，并將0載入位RS2、位RS1和位RS0。該狀態(tài)寄存器的定義如表3-8所示。表3-8 狀態(tài)寄存器定義SR7SR6SR5SR4SR3SR2SR1SR0RDY（0）ERR（0）0（0）

44、0（0）0/1CH2（0）CH1（0）CH0（0）該表中，SR0至SR7表示位的位置，SR說明這些位屬于狀態(tài)寄存器。SR7表示數(shù)據(jù)流的第一位，SR6表示ADC錯誤位，SR5至SR4自動清0，SR3自動置1，SR2至SR0表示ADC正在對哪一通道執(zhí)行轉換操作。3. 模式寄存器模式寄存器為16位寄存器，可以讀取和寫入數(shù)據(jù)。該寄存器用于選擇運行模式、更新速率和時鐘源。要訪問該寄存器，必須對通信寄存器的RS2-RS0位設置成001即可。MR0至MR15表示位的位置，MR說明這些位屬于模式寄存器。MR15表示數(shù)據(jù)流的第一位。該寄存器的定義如表3-9所示。表3-9 模式寄存器定義MR15MR14MR13M

45、R12MR11MR10MR9MR8MD2（0）MD1（0）MD0（0）0（0）0（0）0（0）0（0）0（0）MR7MR6MR5MR4MR3MR2MR1MR0CLK1（0）CLK0（0）0（0）0（0）FS3（1）FS2（0）FS1（1）FS0（0）其中，MD2-MD0是模式選擇位，這些位選擇AD7793的工作模式。具體的定義如表3-10所示。表3-10 MD2-MD0定義MD2MD1MD0模式000011110011001101010101連續(xù)轉換模式單次轉換模式空閑模式省電模式內部零電平校準內部滿量程校準系統(tǒng)零電平校準系統(tǒng)滿量程校準4. 配置寄存器配置寄存器是一個16位寄存器，可以讀取和寫

46、入數(shù)據(jù)。該寄存器用來配置ADC的單極性或雙極性模式、使能或禁用緩沖器、使能或禁用熔斷電流、選擇增益以及選擇模擬輸入通道。要訪問該寄存器，必須對通信寄存器的RS2-RS0位設置成010即可。CON0至CON15表示位的位置，CON說明這些位屬于配置寄存器。CON15表示數(shù)據(jù)流的第一位。該寄存器的定義如表3-11所示。表3-11 配置寄存器定義CON15CON14CON13CON12CON11CON10CON9CON8VBIAS1（0）VBIAS0（0）BO（0）U/B（0）BOOST（0）G2（1）G1（1）G0（1）CON7CON6CON5CON4CON3CON2CON1CON0REFSEL（

47、0）0（0）0（0）BUF（1）0（0）CH2（0）CH1（0）CH0（0）該表中，VBIAS1-VBIAS0用于偏移電壓選擇，具體的定義如表3-12所示。G2-G0用于增益選擇，具體定義如表3-13所示。REFSEL用于基準電壓選擇：當REFSEL=0時，基準電壓源為REFIN（+）和REFIN（）之間的外部基準電壓；當REFSEL=1時，基準電壓源為內部基準電壓。表3-12 VBIAS1-VBIAS0定義VBIAS1VBIAS2偏置電壓00110101偏置電壓發(fā)生器禁用偏置電壓連接至AIN1（）偏置電壓連接至AIN2（）保留表3-13 G2-G0定義G2G1G0GainADC輸入范圍000

48、01111001100110101010112481632641282.5V1.25V625mV312.5mV156.2mV78.125mV39.06mV19.53mV5. 數(shù)據(jù)寄存器該寄存器用于存儲AD7793的數(shù)據(jù)轉換結果。它是一個只讀寄存器，只能用于轉換數(shù)據(jù)的讀出。要訪問該寄存器，必須對通信寄存器的RS2-RS0位設置成011即可。3.6 通信模塊3.6.1 通信電路該壓力變送器采用CAN總線技術進行通信，所選用的CAN收發(fā)器為SN65HVD230，供電電壓為3.3V，該收發(fā)器由C8051F500內部自帶的CAN控制器對其進行控制，具體的電路圖如圖3.13所示：圖3.13 通信模塊電路圖

49、3.6.2 CAN控制器工作原理CAN控制器的功能行為是通過控制寄存器改變的，通過置位或者清除這些位的值，可以控制CAN控制器的對應位的功能。微控制器可以對該寄存器進行讀/寫操作。表3-14列出了控制寄存器各位功能描述。表3-14 控制寄存器定義位7位6位5位4位3位2位1位0R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WRTESTCCEDAR保留EIESIEIEINIT該表中，TEST表示測試模式使能，CCE表示配置更改使能，DAR表示禁能自動重發(fā) ，EIE表示錯誤中斷使能，SIE表示狀態(tài)更改中斷使能，IE表示模塊中斷使能，INIT則表示初始化。第4章 軟件程序設計4.1 高精度壓力變

50、送器組網程序設計4.1.1 高精度壓力變送器組網結構高精度壓力變送器通信及組網結構如圖4.1所示。圖4.1 基本通信流程4.1.2 壓力變送器基本工作流程壓力變送器的基本工作流程為：首先上電初始化設備，并進行組網，若組網成功，則進行休眠，否則提示設備及存儲代碼出錯，顯示錯誤代碼，并進入休眠狀態(tài)；當設備組網正確進入休眠狀態(tài)后，500定時喚醒CPU并啟動AD轉換，進行電池電壓檢測，若電壓過低顯示低電壓；若電壓正常，進行數(shù)據(jù)采集并進行AD轉換及數(shù)據(jù)處理，利用CAN模塊將處理完的數(shù)據(jù)進行發(fā)送。變送器的基本工作流程如圖4.2所示。圖4.2 壓力變送器基本工作流程4.2 系統(tǒng)的主程序及各個子程序設計4.2

51、.1 系統(tǒng)主程序設計系統(tǒng)的主程序結構包括系統(tǒng)初始化、串口初始化、組網、匹配及存儲網絡地址、AD采集、數(shù)據(jù)轉換及存儲和CAN通信等模塊。系統(tǒng)的主程序流程如圖4.3所示。圖4.3 系統(tǒng)主程序4.2.2 AD轉換模塊子程序設計AD轉換模塊的工作流程：首先系統(tǒng)開始工作并且系統(tǒng)進行初始化，啟動AD采集，然后判斷是否達到預設采集次數(shù)，若滿足則把采集次數(shù)發(fā)送到主芯片；若未達到采集次數(shù)則繼續(xù)進行AD采集，直到滿足采集次數(shù)，將采集次數(shù)發(fā)送到主芯片，最后系統(tǒng)停止工作。AD轉換模塊的工作過程如圖4.4所示。圖4.4 模數(shù)轉換子程序設計4.2.3 串口通信模塊子程序設計串口通信為可選設備，主要用于標定、傳標定系數(shù)、參

52、數(shù)、屬性及測試用，在數(shù)據(jù)發(fā)送過程禁止串口中斷。串口通信模塊的工作流程如圖4.5所示。圖4.5 串口模塊子程序4.2.4 存儲模塊子程序設計存儲模塊用于接收或讀取高精度壓力變送器采集到的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過C8051F500單片機按照約定數(shù)據(jù)存儲協(xié)議存儲到AT24CL256芯片中。存儲模塊的工作流程如圖4.6所示。圖4.6 存儲模塊子程序第5章 總結經過幾個月的努力，掌握了壓力變送器的工作原理，初步了解了CAN總線技術及其應用，并成功的實現(xiàn)了設計的基本要求。同時也提高了利用高級語言編寫單片機程序的能力，以及查閱資料和解決問題的能力。本設計分析了當前壓力變送器的現(xiàn)狀，對高精度壓力變送器的系統(tǒng)設計的必要性和現(xiàn)實意義進行了闡述，介紹了高精度壓力變送器的硬件組成和工作原理，并詳細分析了各單元電路的性能和工作原理，同時編寫了幾個與硬件密切相關的模塊程序，基本滿足了設計要求。系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有：1. 通過單片機的控制壓力變送器成功測量出壓力數(shù)值；2. 通過程序得出了輸出信號與壓力變量之間的函數(shù)關系；3. 實現(xiàn)了CAN通信模塊在系統(tǒng)中的良好應用；4. 本系統(tǒng)采用電池供電，大大提升了壓力變送器的便攜性和操作性。不過本設計仍然存在不足的地方。例如：測量精度，在測量時，測量數(shù)據(jù)會略有偏差；