基于RS485通信的新型水深测量组件

2014-03-21孙海玮

仪表技术与传感器 2014年6期

周　磊，孙海玮，匡　石，梁　峭

(沈阳仪表科学研究院有限公司，辽宁沈阳　110043)

0　引言

长久以来，水下探测系统广泛应用于科研和水下装备领域，而水深测量组件作为水下探测系统的重要组成部分，在整个系统中处于核心地位。水深测量组件性能的好坏直接影响着整个系统的品质。在以往的产品中，水深测量组件通常以模拟信号作为输出信号，但模拟信号本身存在着抗干扰能力弱的缺点，这很大程度上限制了它的应用范围，尤其是在抵抗恶劣环境能力有着较高要求的装备领域。

信息的数字式传输与交换可以很好地弥补模拟信号的缺陷。数字信号在传输之前可以先进行加密处理再进行传输，最后在接收端进行解密，完成信息的传输与交换，这样就增强了通讯的保密性；另外，数字信号在传输过程中可以利用电子电路构成的门限电压(称为阈值)去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成一组整齐的脉冲(称为整形或再生)。在这种情况下，较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作，除非干扰信号大于原信号才会产生误码。而为了防止误码，在电路中可以设置检验错误和纠正错误的方法，即在出现误码时，可以利用后向信号使对方重发。通过上述处理，可以大大提升信号的抗干扰能力。

文中介绍的新型水深测量组件采用RS485串口通信方式直接与上位机进行信号传输与交换。与RS232接口标准相比，RS485的接口信号电平更低，不易损坏接口电路芯片，并且RS485传输速率更快，传输距离更长，抗噪声干扰的能力也更强，这些都为最终产品的优化设计打下了良好的基础。另外，该水深测量组件还具备了分辨率高、可承受多倍量程过载能力等特点。

1　总体方案设计

该水深测量组件采用小型压力敏感芯体作为核心的压力敏感元件，该芯体采用硅压阻效应原理，利用半导体平面工艺，将构成惠斯登电桥的4个扩散硅电阻对称设计在硅体敏感膜片的正负应力区上，当受到压力作用时，膜片发生形变，导致扩散硅电阻阻值因电阻率随被测介质的压力增加而增加或减小，造成惠斯登电桥不平衡，最终使芯体随被测压力输出线性的电压信号[1]。

该水深测量组件选用250 kPa压力敏感芯体，这样既可以同时满足0～6 m测量范围和0～50 m测量范围内的测量精度要求(不大于0.2%)和分辨率要求(不低于0.125 m)，又可以承受100 m深度测试的过载压力。压力敏感芯体输出的是mV级的模拟电压信号，该信号经过放大和限幅处理后输入到单片机A/D转换输入端口。A/D转换电路部分采用了基于PIC18F66K80型单片机的设计，该单片机自身配备了12位A/D转换模块，足以满足产品的性能要求，另外通过选择不同功耗管理模式，有效降低了产品的功耗，设计选用了28脚SSOP封装形式，芯片引脚数量少，外形尺寸也相对较小，这样有助于产品整体的小型化设计[2]。

该水深测量组件采用了一体化的结构设计方案，即将压力敏感芯体焊接在压力接口内后，把电路板直接安装在压力敏感组件后端，整个产品封装在同一腔体内部，这种一体化的设计使整个产品更加小巧，从而更易于安装在水下探测系统中，同时这种全封闭的结构设计也使产品可以更好地抵抗外界各种恶劣环境的影响。整体产品的功能框图如图1所示。

图1　水深测量组件功能框图

2　结构部分设计

该产品采用一体化的结构设计，整体机械装配图如图2所示，图中单位为mm．压力敏感芯体焊接在压力接口内后，直接与电路板进行连接，通常压力变送器组件的电路板与压力敏感芯体以平行的方式安装，安装后可以使用螺钉将电路板固定在压力接口上，增强安装强度，但本产品由于受到外形尺寸的限制，电路板只能以垂直方向安装，在这种情况下，产品最终采用了使用上下限位块的方式对电路板进行固定，这种安装方式比较灵活，更便于对电路的调试，但对机加件的加工精度提出了更高的要求，因为如果机加件尺寸误差过大，就会使整机产品装配后各组件之间存在缝隙，最终导致电路板安装不牢固，但只要保证了装配精度，那么这种安装方式可以使电路板有更大的自由度，从而增强了抵抗高强度冲击震动环境的能力。

图2　产品机械装配图

3　电路部分设计

3．1硬件设计

该产品采用24 V DC电源供电，该电源可以直接为信号调制模块进行供电，但数字电路部分需要5 V DC电源，通过LM7805集成稳压芯片进行转换后提供。由于压力敏感芯体输出的mV级电压信号无法满足单片机A/D转换模块对输入电压的要求，因此需要对该信号进行放大和限幅，综合考虑压力敏感芯体在全温区范围内的输出变化，应在常温状态下，将放大后的零点和满量程输出信号控制在1～3 V范围内，另外，压力敏感芯体还需要承受100 m的过载压力，这时信号输出值会接近电源电压的数值，而单片机A/D转换模块输入端口不允许接入大于数字电源电压的信号，因此还需要对放大后的信号进行限幅处理[3]，信号调制模块电路原理图如图3所示。

图3　信号调制模块电路原理图

数字部分电路采用了基于PIC18F66K80型单片机的设计，该单片机自带12位A/D转换模块，假设压力敏感芯体的输出信号经过调制模块处理后，零点输出为1 V，满量程输出为3 V，那么经计算，在0～6 m测量范围内分辨率可以达到0.003 m；0～50 m测量范围分辨率可以达到0.025 m，足以满足产品测试分辨率(0.125 m)的要求，另外，该单片机自身可以为A/D转换模块提供参考电压，参考电压的数值通过指定的寄存器进行控制，因此不需要另外提供外接的参考电压，这样有助于整体产品的小型化设计。

数字电路的接口部分采用MAX485接口芯片，通过适当的输出电路设计，确保总线空闲时两条线保持稳定的高低电平，并消除由于阻抗不匹配在线路上产生的信号反射。数字电路部分原理图如图4。

3．2软件设计

该产品的软件部分设计比较简单，只是将A/D转换模块转换得到的数字信号直接通过RS485芯片与上位机进行通讯，与上位机的通讯采用应答方式，即收到深度查询报文后立即回传深度报文，深度查询报文为:FFH 7EH 04H CEH，共4个字节，前两个字节为报头文(FFH 7EH)，第三字节为深度查询报文的8位字节个数(04H)，第四个字节为深度查询报文特征标志字节。当接收深度查询报文有错误时，回传一个特性标志字节AAH，当上位机收到该特性标志字节，重新发送深度查询报文。