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无线压力变送器设计

2019/7/29 21:40:26      点击:
无线压力变送器设计


LoRa技术特点:LoRa的优势在于技术方面的长距离能力。LoRa技术在高性能、远距离、低功耗,支持大规模组网测距和定位等方面突出的特点,这使得该方案(终端+网关)成为物联网大规模推广应用的一种理想的技术选择。
基于MSP430的无线压力变送器设计。无线压力变送器的特点是低成本和低功耗,在硬件的选择和软件的设计上也重点突出了低功耗的思想。硬件上采用的是MSP430低功耗芯片和低功耗数字放大器,通信上采用的是LORA无线通信模块。软件设计上采用间歇式工作模式,非采样期间只有显示器工作,并且有效地缩短了A/D转换的时间,从而降低了系统的功耗,整个系统通过锂电池供电,可以工作较长的时间。
 
1 设计背景
在石油开采的过程中,通常会根据井口的油压和套管压力的变化对油井的生产进行分析,所以对井口压力的测量必须做到及时准确。油田的生产环境较为恶劣,对仪器的测量要求也比较苛刻,一般需要在﹣30~﹢50 ℃,0~10 Mpa的条件下进行准确测量。
 
压力变送器是一种用来测量压力参数的仪表,目前市面上很多压力变送器都采用有线的方式进行测量数据的传输,电源也采用的是集中式供电,非常不利于设备的安装和维护,给油井的日常生产管理造成了极大的不便。因此,系统的通信模式必须换成无线通信的形式,供电方式也必须换成锂电池供电的形式。同时为了提高电池的使用时间,整个系统就必须做到低功耗,所以无论从芯片和供电电池的选择,还是电路以及程序的设计,都需要进行综合考虑。本文采用的是MSP430处理器,研究并设计了一种无线低功耗压力变送器,从而实现了井口压力参数的准确快速测量。
 
2 系统设计
LoRa无线自主网络为核心,将温度数据进行无线传输的新型工业级变送器产品,支持集成大容量一次性3.6V锂电池或者选用外部电源供电;内部集成高可靠性的LoRa自组网通信模组,温度数据的无线传送,弥补了传统温度变送器只能通过有线方式(RS485/232)进行数据传送的缺点;具有施工简单,真正做到了即装即用,后期维护方便,按周期更换电池即可。
    该无线温度传感器,具有多种量程,可带本地数字温度显示表头:零头、量程调试方便;反向极性保护及限流保护;抗雷击、抗冲击;本质安全防爆;体积小外形、性价比高;高精度、高稳定性、高可靠性。
 
总体设计应该是全面考虑系统的总体目标,进行硬件初步选型,然后确定一个系统的草案,同时考虑软硬件实现的可行性 [1-2] 。总体方案经过反复推敲,确定了以美国德州公司(Texas Instrument)推出的MSP430F161超低功耗单片机为数字压力表的核心,并选择低功耗和低成本的存储器、放大器、液晶显示器等元件,所以可将系统总体结构分为压力采集模块、无线发射模块、MSP430单片机、LCD液晶显示器、脉冲输入模块、JTAG调试接口,其总体框架如图1所示。
系统总体设计框
压力变送器是一种接受压力变量,经传感转换后,将压力变化量按一定比例转换为标准输出信号的仪表。变送器的输出信号传输到中控室进行压力指示、记录或控制。无线压力变送器的传感元件采用的是扩散硅力敏器件,敏感芯片利用集成电路工艺,在晶体硅片上制成敏感电阻,组成惠斯通电桥,作为力电转换的敏感器件。当收到外力作用时,电桥失去平衡。当给桥路加一恒流激励电源时,可以将压力信号线性地转化为工业标准的4~20 mA的电流信号或者1~5 V的电压信号,再经放大电路转化为数字信号,最后由无线模块发送至上位机。
 
LORa无线传感器的概述:
之所以叫做lora传感器,是因为这一款设备采用的433Mhz为核心传输的产品,内嵌入lora工业通讯模块,具备抗干扰能力,且采用lora扩频技术,传输距离在3~8km左右,具体传输距离还是看当地地况为准。并且该设备可与我公司的lora系列的DTU-LORA和其他几款设备组网,可点对点组网、点对多组网,lora传感器作为采集端和发送端,lora dtu作为接收端,可同时接收多个lora传感器的数据。
 
3 软件设计
本设计中以MSP430处理器为核心,通过5 V锂电池来控制压力传感器和放大器的供电,传感器将压力信号转换为电信号后,经过放大器放大转换为适合于A/D转换的电压范围,然后通过MSP430处理器内部集成的A/D转换器进行数模转换,压力信号就转换为数字信号了。然后处理器根据存储于RAM中的校准数据计算出测得的压力,最后将压力数值送液晶显示器显示。在校准过程中建立起测量值与标准压力的对应关系,校准数据保存于外部存储器中。电池经过稳压后,为长期工作的部件:处理器、存储器、显示器供电(存储器本来也可以通过单片机来控制其电源,因为存储器的存储功能只在上电或复位初始化以及校准时读取数据才需要,但是由于系统需要使用集成于存储器内的看门狗,因此需要长期工作)。数据采集部分代码如下:
 
while(1)  //主循环---------------------------------------
--------------
{
clear_watch_dog();
LPM3; //休眠
ai_power_on();
//打开AI电源
DELAY50; 
//延时
ad_on();
//打开AD AD采集时间9ms 
ai_cj();
//AI采集
slpt_timeout++; //AD采集计时
if(slpt_timeout<mdnml_data.slpt)
continue;
slpt_timeout=0;
ai_power_on();
//打开AI电源
DELAY10; 
//延时
ad_on();
//打开AD AD采集时间9ms 
bt_cj();
//电池电压采集
ad_off(); 
//关AD
ai_power_off();
//关闭仪表电源
bt_cal();
//电池电压计算
}
 
loRa无线压力变送器采用扩散硅芯体(特殊场合可用应变芯体替代),外壳采用防爆外壳,无线压力变送器采用LCD显示,可实时显示当前管道压力和环境温度,采集环境温度是为了对压力进行补偿,保证在宽温度范围内的压力精度。
loRa压力变送器是我司在成熟数字表上研发的无线压力变送器,我司有十余年压力生产经验,在压力精度和稳定性方面属于国内领先地位,可根据客户要求定制各类无线压力产品,满足现场差异化需求