低功耗無線壓力變送器采集電路系統的設計

摘要:針對傳統無線壓力變送器硬件控制電路功耗高的問題，設計了一種新型低功耗無線壓力變送器采集電路系統。建立以ARM 微控制器為核心的無線壓力變送器采集電路系統，解決了硬件控制電路功耗高的問題，實現了對壓力信息的實時傳輸監測。該系統主要包括STM32L 處理器、壓力采集模塊與GPRS 無線通信模塊，具有高精度、低功耗、速度快和無線傳輸等特點。

0 引言
目前，無線壓力變送器已經廣泛應用。隨著電子技術的發展，為了能夠降低自動化成本，提高自動化系統的應用范圍，無線工業網絡技術成為了一個熱點技術。傳統的壓力變送器存在著布線困難和電磁場的干擾，降低了壓力變送器的精確性和使用范圍。

壓力變送器在SF6斷路器中應用廣泛，需要用壓力變送器實時監測SF6壓力。針對傳統的壓力變送器靜態性能人工檢測效率低、精度差、可靠性不高和勞動強度大等問題。提出了一種基于STM32L 處理器、壓力采集模塊與GPRS 無線通信模塊的無線壓力變送器采集電路系統，實現了壓力信號的采集與傳輸。此壓力變送器具有高精度、低功耗、速度快和無線傳輸等特點，有效解決了傳統壓力變送器存在的問題。

1 系統設計方案
無線壓力變送器主要由3 部分組成:采集模塊、數據管理模塊和GPRS 通信模塊組成。儀表的功能框圖如圖1 所示。采集模塊通過MPT570 壓力變送器采集目標區域的壓力值，并將處于休眠狀態的數據管理模塊喚醒，向它傳輸壓力信號。數據管理模塊主要負責將通信模塊喚醒，并將采集的數據傳輸給通信模塊，是無線壓力變送器的核心，所有的電池電量檢測、MPT570 壓力檢測、時間檢測、數據處理與數據存儲都在這個模塊的作用下完成的。GPRS 通信模塊將傳輸過來的數據，通過SIM900A 由短信的方式發送給用戶。

2 變送器的選擇
2． 1 微功耗壓力變送器
壓力變送器檢測被測物體的壓力，并將壓力信號轉換成電信號，通過信號處理后，由信息的方式傳送出去。綜合考慮低功耗、環境問題、可靠性等條件，選擇MPT570壓力變送器。MPT570 是為工作電壓為2． 7 ～ 3． 6 V，需要輸出信號在0 ～ 3Vdc 的配套終端設備而設計的產品，信號處理電路采用高性能的MCU 及高精度的ADC和DAC，可以長期穩定在0． 5 %F·S 以內工作，專用的數字信號處理電路無需電位器調節，通過程控器就能方便的對其零點和滿程進行校準、標定和量程的縮放，量程的縮放比例為5∶ 1。

2． 2 壓力測量原理
對于金屬材料或半導體材料，如果給它的一個面施加壓力或者拉力，其內部結構就會發生變化，影響導體電阻壓力率的變化，這種現象稱為壓阻效應。為了得到比較高的靈敏度和比較小的零點輸出，在傳感器電路中應用惠斯通電橋，惠斯通電橋如圖2 所示。

R1，R3和R2，R4是壓阻系數符號不同的力敏電阻，初始條件下，R1 = R2 = R3 = R4 = R，此時電橋平衡，零輸入狀態下平衡，輸出電壓為0。

式中:Vs為輸出電壓;V 為輸入電壓。當彈性膜片受到外界壓力時，薄膜兩側出現壓差，使4 個電阻發生變化，電橋失去平衡。

式中ΔR1，ΔR2，ΔR3，ΔR4為有壓力時，電阻發生變化的值。

2． 3 壓力變送器工作原理
2. 3. 1 傳感器部分
傳感器采用的是彈性材料，依據不同的受力方式從而加工成環、梁、膜、片等不同的形狀，在彈性材料基體上刻蝕、粘貼或濺射4 個等值電阻，形成了一個惠斯通電橋，當彈性材料基體感受壓力后，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的電壓信號。

2. 3. 2 電路部分
(1)4 ～ 20 mA 輸出，二線制，采用V/I 轉換專用電路，具有高精度、高可靠、高穩定性等優點，零點可自由遷移。
(2)0 ～ 3 V 輸出，三線制，采用儀表運算放大器，具有穩定性好、精度高、共模擬制比高、輸入阻抗高、抗干擾能力強等優點。
(3)程控變送器電路，可以對變送器的量程在20∶ 1范圍內任意調節。零位可以在50% 內任意遷移，消除了地域環境改變所產生的誤差。

3 采集電路設計
系統控制電路采用STM32L 系列ARM 內核32 位微控制器為主控制器。主控制器獲取壓力變送器采集到超過閾值的壓力輸入電平信號后，控制GPRS 模塊以向指定用戶發出報警信息。

3． 1 主控制器
通過整體考慮功耗、發射頻率、接收時間、芯片成本、耐用度等指標，系統控制電路主控制器采用了STM32L151C8T6。它基于高品質的ARM Cortex － M3內核，內置128 K 閃存存儲器容量，工作頻率為72 MHz，具有超高性能和低功耗與工業級溫度范圍的特性。它應用了節能最優化的架構與0． 13 μm 的STMicroelectronics 超低漏電生產工藝。STM32L 劃分了6 種工作模式，能夠讓它在不同的工作時間都能用最低的功耗來完成相應的任務。穩壓器為Vcore( 穩壓器輸出電壓) 域提供超低功耗電壓，用來保持寄存器和內部RAM 中的數據，并且通過相關函數的編寫降低了內部參考電壓的功耗。硬件電路如圖3 所示。

3． 2 GPRS 通信模塊
GPRS 通信模塊作用:無線傳輸含有壓力、時間信息的數據至用戶移動終端，并接收用戶移動終端對其發出的系列指令。GPRS 模塊硬件電路圖4 所示。模塊包括SIM900A 模塊和SIM 卡，SIM900A 具有低功耗的性能，待機模式電流低于18 mA，休眠模式下的耗流為1． 0 mA。使用AT 命令“AT + CSLKLK = 1”設置允許進入SLEEP 模式，然后通過DTR 引腳來控制模塊進入或者退出SLEEP 模式。當DTR 為高電平時，模塊處于待機狀態，也沒有其他中斷產生，模塊將自動進入SLEEP 模式。這種模式下，模塊仍能接收來自網絡的呼叫和短消息。

4 系統軟件設計
系統軟件設計由主程序、GPRS 通信模塊、上位機等子程序共同組成。主程序設計為保證采集系統電路正常運轉。GPRS 通信模塊子程序設計為實現用戶與系統建立連接關系，并使報警信息與采集壓力數據在指定用戶之間發送與接收。

4． 1 采集模塊流程
采集模塊軟件流程圖如圖5 所示，它的運行過程為:上電，系統配置，A/D 轉換等初始化，完成后模塊進入低功耗模式。當監測電池電量低于設定值時，直接向數據管理模塊發送數據;監測電量正常時，采集MTP570 監測的壓力大于閾值產生一個大于3． 2 s 高電平信號，直接發送到數據管理模塊;當壓力小于閾值，監測設定時間未達到規定時間，重新回到監測電量狀態;時間達到規定時間，數據管理模塊通過串口接收采集模塊發送的數據。這樣，采集模塊完成一次數據采集。

4． 2 GPRS 通信模塊程序流程
當收到數據管理模塊發送的數據時，通信模塊從休眠模式進入到正常工作模式。通信模塊首先進行初始化，設置短信文本樣式，設置GPRS 字符集，編輯信息類型，發送短信。維護人員接收到通信模塊通過GPRS 網絡以短信的形式送來的數據，流程圖如圖6 所示。

4． 3 上位機程序流程
上位機接收到GPRS 通信模塊以短信的形式發送來的采集數據，將數據進行校驗，如果校驗成功則儲存數據，并通知采集模塊數據已經正確接收，再將經過算法處理后的數據發送至數據管理系統，同時也以短信的形式發給運行維護人員。數據管理系統對數據進行儲存分析。流程圖如圖7 所示。

5 結束語
文中設計了一種基于低功耗無線壓力變送器采集電路系統，實現對壓力信號的實時采集。當壓力超過閾值時，及時報警，滿足對故障及早發現、及早排除的基本要求，具有反應速度快、精度高、實時性好等優點。通過軟件設計解決了功耗問題，延長了變送器的使用周期，實現了工業現場數據無線傳輸。