1 引言
最近，美國(guó)霍尼威爾(Honeywell)公司先后推出了PPT系列、PPTR系列和PPTE系列可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的智能精密壓力傳感器。這些傳感器將壓敏電阻傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲(chǔ)器(RAM、E 2PROM)和接口電路集于一身，不僅達(dá)到了高性能指標(biāo)，還極大地方便了用戶。這些產(chǎn)品可廣泛用于工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。
2 PPT、PPTR系列壓力傳感器的性能
(1)PPT系列傳感器采用鋼膜片，帶RS-232 接口，傳感器距離不超過(guò)18m，適合測(cè)量快速變化或緩慢變化的各種不易燃、無(wú)腐蝕性氣體或液體的壓力(即表壓)、壓差及絕對(duì)壓力，測(cè)量精度高達(dá)±0.05％(滿量程時(shí)的典型值)，而過(guò)去的集成壓力變送器最高只能達(dá)到±0.1％的精度。PPTR系列產(chǎn)品帶RS-485接口，傳輸距離可達(dá)幾千米，它采用不銹鋼膜片，能測(cè)量具有腐蝕性的液體或氣體，測(cè)量精度為±0.1％。
(2)它屬于網(wǎng)絡(luò)傳感器。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)時(shí)能確定每個(gè)傳感器的全局地址、組地址和設(shè)備識(shí)別號(hào)ID地址，能實(shí)現(xiàn)各傳感器之間、傳感器與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和資源共享，用戶可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取任何一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并對(duì)該傳感器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，所設(shè)定的參數(shù)就保存在E2PROM中。
(3)能輸出經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的壓力數(shù)字量和模擬量，它既是一個(gè)精密數(shù)字壓力傳感器，又是一個(gè)模擬式標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器，模擬輸出電壓在0～5V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，可作為標(biāo)準(zhǔn)壓力信號(hào)源來(lái)使用。用戶不用主機(jī)即可獲得模擬輸出。
(4)可通過(guò)接口電路與PC機(jī)進(jìn)行串行通信，一臺(tái)PC機(jī)最多可掛接89個(gè)傳感器。串行通信時(shí)有7種波特率可供選擇，最高達(dá)28800bit/s。上電后默認(rèn)的波特率為9600bit/s。數(shù)字格式為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位。
(5)有12種壓力單位可供選擇，包括國(guó)際單位制Pa(帕)、非國(guó)際單位制P0(大氣壓)、bar (巴)、mmHg(毫米汞柱)等，基本壓力電位是psi(磅／平方英寸)。量程從1psi到500psi(即 6.8946kPa～3.4473MPa)，總共有10種規(guī)格。
(6)利用內(nèi)部的集成溫度傳感器來(lái)檢測(cè)傳感器溫度并對(duì)壓力進(jìn)行補(bǔ)償。測(cè)溫誤差小于0.5℃。
(7)電源電壓的范圍是5.5～30V，工作電流為15～30mA，工作溫度范圍是－40～＋85℃。
3 工作原理
3.1 引腳功能
PPT、PPTR系列智能壓力傳感器的外形尺寸均為24.8mm×62.2mm。它有兩個(gè)壓力口P1和P2，以PPT系列為例，P1口適合接不易 燃、無(wú)腐蝕性的液體或氣體，P2口只能接氣體。6芯插座上的第1腳為RS-232接口的正端，第2腳為負(fù)端。第3腳為外殼接地端(GND)，第4腳為直流電源輸入端(U S)，第6腳為模擬電壓輸出端(UO )。PPTR系列插座上的A～F依次對(duì)應(yīng)于1～6腳，區(qū)別僅是A、B腳分別為RS－485接口的正端、負(fù)端。為了降低噪聲，做模擬輸出時(shí)需要單點(diǎn)接地，應(yīng)將電源地、測(cè)量?jī)x表(如數(shù)字電壓表)的參考地，直接連傳感器的信號(hào)地。
3.2 工作原理
PPT智能壓力傳感器的內(nèi)部框圖如圖1所示。主要包括8部分：①壓力傳感器；②溫度傳感器；③16位A/D轉(zhuǎn)換器；④微處理器(umP)和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)；⑤電擦寫只讀存儲(chǔ)器(E2PROM)；⑥RS-232(或RS-485)串行接口； ⑦12位D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)；⑧電壓調(diào)節(jié)器。下文中除具體說(shuō)明系列號(hào)以外，所有PPT、PPTR系列均用PPT表示，并簡(jiǎn)稱為PPT單元。
PPT單元的核心部件是一個(gè)硅壓阻性傳感器，內(nèi)含對(duì)壓力和溫度敏感的元件。代表溫度和壓力的數(shù)字信號(hào)送至 mP中進(jìn)行處理，可在-40～＋85℃范圍內(nèi)獲得經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和壓力校準(zhǔn)后的輸出。輸出形式見(jiàn)表1。在測(cè)量快速變化的壓力時(shí)，可選擇跟蹤輸入模式，預(yù)先設(shè)定好采樣速率的閾值，當(dāng)被測(cè)壓力在閾值范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，采樣速率就自動(dòng)提高一倍。一旦壓力趨于穩(wěn)定，又恢復(fù)正常采樣速率。 PPT還具有空閑計(jì)數(shù)功能，在測(cè)量穩(wěn)定或緩慢變化的壓力時(shí)，可自動(dòng)跳過(guò)255個(gè)中間讀數(shù)，延長(zhǎng)兩次輸出的時(shí)間間隔。此外，它還可設(shè)定成僅當(dāng)壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)才輸出或者等主機(jī)查詢時(shí)才輸出的工作模式。為適應(yīng)不同環(huán)境，提高PPT的抗干擾能力，A/D轉(zhuǎn)化器的積分時(shí)間可在8ms～10s范圍內(nèi)設(shè)定。
PPT能提供三級(jí)尋址方式。最低級(jí)尋址方式是設(shè)備識(shí)別號(hào)ID。該地址級(jí)別允許對(duì)任何單個(gè)的PPT進(jìn)行地址分配，ID的分配范圍是01～89。00為空地址，專用于未指定地址的PPT。因此，一臺(tái)主機(jī)最多可以配89個(gè)PPT。若某只PPT未被分配ID地址(或ID未被存入E 2PROM中)，上電后就分配為空地址。第二級(jí)尋址方式為組地址，地址范圍是90～98，共9組。通過(guò)ID指令，每個(gè)PPT都可以分配到一個(gè)組地址，允許主機(jī)將指令傳給具有相同組地址的幾個(gè)PPT。組地址的默認(rèn)值為90。最高級(jí)尋址方式為全局地址，該地址為99。主機(jī)通過(guò)串行口可連接9組總共89個(gè)PPT。
4 智能壓力傳感器的應(yīng)用
4.1 PPT模擬輸出的配置
單獨(dú)使用一個(gè)PPT，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬式壓力傳感器。其最大優(yōu)點(diǎn)是不需要校準(zhǔn)即可達(dá)到高精度指標(biāo)。PPT模擬輸出與測(cè)量?jī)x表的接線如圖2所示。用戶既可通過(guò)數(shù)字電壓表(DVM)讀取壓力的精確值，亦可利用模擬式電壓表(V)來(lái)觀察壓力的變化過(guò)程及變化趨勢(shì)。對(duì)PPT進(jìn)行設(shè)置后，它還能在傳送壓力數(shù)據(jù)的同時(shí)，接收來(lái)自控制處理器的閥門控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，這對(duì)于壓力測(cè)控系統(tǒng)非常有用。閥門控制數(shù)據(jù)可以和壓力數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)。
4.2 遠(yuǎn)程模擬壓力信號(hào)的傳輸與記錄
PPT的模擬信號(hào)可直接送給記錄儀來(lái)記錄壓力波形，但在遠(yuǎn)距離傳輸模擬信號(hào)時(shí)很容易受線路干擾及環(huán)境噪聲的影響，還會(huì)造成信號(hào)衰減。為解決上述問(wèn)題，可按圖3所示，在終端增加一個(gè)PPT。首先由PPT1發(fā)送壓力數(shù)據(jù)，然后遠(yuǎn)程傳輸給 PPT2，再將PPT2的模擬輸出接記錄儀。這種方法適用于RS-485接口，傳輸距離可達(dá)數(shù)千米。若采用帶RS-232接口的PPT系列傳感器，需增加驅(qū)動(dòng)器和中繼器。該方案的另一優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率快，當(dāng)波特率選28800bit/s時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸所造成的延遲時(shí)間不超過(guò)2ms。
4.3 PPT與主機(jī)的接線
PPT與主機(jī)的接線如圖4所示。圖中的D9、D25 分別代表主機(jī)上的9針和25針插座。
4.4 RS-485多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)
RS-485網(wǎng)絡(luò)是以主機(jī)為起點(diǎn)、以距主機(jī)最遠(yuǎn)端為終點(diǎn)，它采用多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，亦稱星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)不僅傳輸距離遠(yuǎn)，而且在不斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的情況下即可增、減PPT的數(shù)目。RS-485最多只能連接32個(gè)PPT單元，利用中繼器可擴(kuò)展到89個(gè) PPT單元。在RS-485的始端與末端，需分別并聯(lián)一只120Ω的電阻作匹配負(fù)載。
具有6個(gè)PPT單元的RS-485多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。在該網(wǎng)絡(luò)中，各PPT單元的ID地址可以不按照順序排列。下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)介紹傳輸全局地址及分配組地址的過(guò)程：
(1)首先傳送全局指令*99WE和*99S＝00001234，這將使ID號(hào)為＃00001234的PPT單元在下一條指令之前指定自己的ID號(hào)，并做好接受新指令的準(zhǔn)備。然后傳送*99WE，*99ID＝02， *02WE和*02SP＝ALL指令，完成設(shè)備ID的地址分配。只要在RS-485網(wǎng)絡(luò)上重復(fù)上述過(guò)程，即可完成ID地址的分配工作；
(2)分配組地址：一旦設(shè)置好設(shè)備的ID，即可進(jìn)行組ID的分配。同一組中的每個(gè)PPT單元必須有一個(gè)始于01的子地址。子地址將告知每一個(gè) PPT單元在組地址指令中的響應(yīng)順序。若要設(shè)置設(shè)備ID＝02的組地址為91，子地址01，可傳送下述命令：*02WE，*02ID＝9101，*02WE，*02SP＝ALL。當(dāng)?shù)谝粭l指令傳送到第91組時(shí)，ID＝02 的單元就會(huì)第一個(gè)做出響應(yīng)。
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