智能压力变送器

2万 · 2019-5-23 13:17

一般情况下电流环路的设计主要分为两线制、三线制和四线制。
所谓两线制，就是电源与负载连接在一起，中间只有一个公共点。从工业现
场的仪表到控制室只需要两根电线来连接，这样做的目的是方便仪表的信号传输，
只需要依靠供电电线即可将信号传送出去。两线制变送器传送信号的最低电流为
4mA，不会与断电电流OmA相重合，因此这样做可以便于检测出断线还是断电等故
障。而且两线制还便于使用安全栅，有利于安全防爆。

2万 · 2019-5-23 13:51

2万 · 2019-5-23 14:25

2万 · 2019-5-23 14:26

在本设计方案中，采用的是四线制的输出方式，其中采用了美国Analog
Devices公司生产的环路供电型芯片AD421。此芯片是一款高性能、低成本的完整
的环路供电型4-}-20mA数字转换器，内部设置有一个可选的稳压器，通过引脚经
行选择，可以提供++5V, +3.3V或+3V调节输出电压「50j;同时内部有两个基准电压
源，可为其他器件提供++1. 25V或++2. 5V的精密基准电压;16位的艺一△数字模拟转
换器可以将数字信号转换为电流信号。电源调整器主要是为供电回路的工作而提
供电源「5‘」。

2万 · 2019-5-23 14:27

在DA421的三路信号输出端DA-CS, DA-CLK和DA-DATA都通过光电藕合芯片
6N136与微处理器相连接，主要目的是为了减少串入信号的噪声干扰，同时抑制由
于转换信号时产生电流跳变而引起的电压毛刺。通过在电路中接入光电藕合器的
方法可以大大减少这种干扰。第15引脚BOOST与三极管的集电极开路相连接，主
要是为了扩充电流，使得流入BOOST端口的电流量与流入COM的电流量总和等于
预先设定的环路电流值。第4引脚LV是电压调整控制输入端，直接与VCC电源相
连，表明VCC调节电压的标称值是5V。第8引脚是环形电流输出端，在此端口上
加入了保护措施，主要目的是为了防止雷击和抑制过高的电压浪涌，其中D1为TVS
管，PR1是压敏电阻，FD1是放电管。

2万 · 2019-5-23 14:28

本系统中设计了双RS-485接口，以便数据直接在外接大屏幕显示或是在无线
信号微弱的情况下对变送器情况进行查询和参数查看。选择RS-485技术作为通信
接口，主要是考虑到它的一些传输可靠性特点及其技术优势。通常使用RS-232通
信时容易受到外界噪声干扰，从而引起传输结果错误;而且RS-232通讯的最大传
输距离也仅是达到15米，在实际的工业现场应用中非常有局限性。RS-485与
RS-232标准相比还是略有区别，前者主要采用差分的传输方式进行信息传输。它
的最大传输距离最大可以达到1219米，最大传输速率大约为lOMbpso

2万 · 2019-5-23 14:29

本模块中采用了美信公司的MAX3485芯片，该芯片可以减小EM工(电磁干扰)，
并且降低了由不恰当的终端匹配电缆线而引起反射，最高可实现250Kbps的无差
错数据传输。如上图所示，由于RS-485是半双工通讯，因此采用两块485芯片构
成全双工通讯方式，这样做的目的主要是方便用户在现场进行连接，同时可以很
方便的对变送器进行标定和查询。在信号的输出端都加入了防浪涌，防雷击等保
护措施，以避免对信号产生干扰。

2万 · 2019-5-23 14:30

在前一章节的相关技术介绍中，通过对比各个厂商生产的GPS模块，最终我
们选定香港雷特公司生产的一款GPS定位模块VK1513。它是一款低功耗的定位芯
片，且具备快速定位追踪20颗星的能力。工作频段在1575. 42MHZ，跟踪灵敏度为
-159dB，定位精度为10米。
由于使用的是成熟技术，因此该模块外围电路设计较为简单。第17引脚为信
号输入端，通过一个100nH的电感与天线进行藕合，主要是去除接受天线的尖端
干扰，同时加入两个滤波电容用来滤除噪声干扰。为了提高热启动的性能，在没
有外部电源时，可使用后备电源供电BATTERY，以确保SRAM和RTC时钟能够正常
工作。

2万 · 2019-5-23 14:30

如上图所示，为GPS模块VK1513的电路原理图。该原理图电路简单，外围器
件很少，但是在设计中还应当注意以下事项:
1、供电电源3. 3VDC应稳定，不应有较大的脉冲或浪涌出现，因此在电源设
计中应考虑对电源浪涌和电子快速脉冲群的抑制。
2、使用后备电池是为了提高上电定位速度。因此，要充分考虑后备电池的储
能功率，建议使用铿锰纽扣电池CR2477(储藏能量可达950mAH)。
3,图中C14和C8对定位准确度有较大的影响，应使用容值偏差小，漏电流
小的聚丙烯(CBB)电容。
4, E1为SMA标准的射频插座，阻抗为50S20
5、在布局时，考虑到空间环境对模块的影响，VK1513在电路板上应当远离
CPU、晶振等数字电路，射频插座也应该与模块的对应输入引脚尽量的靠近。
6、布线时，连接导线要宽，最好不低于25mi1，并适当的用地线进行区域划
分和隔离。

2万 · 2019-5-23 14:30

在ZigBee组成的无线传感网中，设备地址码被分为长地址码和短地址码，长
地址码为32位，短地址码为16位。在局域网内理论上可以连接216=65536只无线节
点，满足绝大多数应用场合的使用，采用基于ZigBee协议的无线通信方式能有效
地解决数字传感器网络节点受限问题，可以应用到大规模的分布式测量系统中。
由于ZigBee网络具有较强的自组织及自愈能力，在随着通信模块的移动，它会自
动寻找新的通讯对象，建立起新的通信网络，始终保持着流畅的数据信息交互。
以大型油田的某区域无线网络为例，该区域有一根输油管道，由10只智能压
力变送器、1只网关仪表及一个数据中心构成一个独立的点对多点的无线网络，无
线网络系统内的每只变送器节点都配置了独立的工D号，传感器工作于从动模式，
仪表工作于主动模式，仪表通过指令控制传感器实现数据交换。数据中心通过无
线网络向无线仪表提取数据。

2万 · 2019-5-23 14:31

只看该作者 · 2019-5-23 15:50

感谢楼主分享！

2万 · 2019-5-23 16:16

提高了系统的可靠性，增强了系统的抗干扰能力。在无线通信技术上，
ZigBee无线通信技术中运用了先进的载波信道接入技术，大大减少了无线电载波
之间所产生的干扰;ZigBee技术可完成多种组网形式，实现了多信道通信的能力
从而保证了通信的可靠性;另外，Zi}Bee通信技术为了加强通信的抗干扰能力，
同时提高通信的安全性和保密性，它采用了直序扩频技术(DSSS)。还有一点就是
低功耗，ZigBee设备为低功耗设备，其发射输出功率为0-}-3. 6dBm，其作用距离大
概是100米左右。通过ZigBee内部的能量和链路自检系统，在保证正常工作的前提
条件下，可做到能量损耗最小化。
数字式的压力变送器结合了ZigBee无线通信技术，将无线通信技术应用在变
送器上，可以解决现有变送器系统的抗干扰能力差及容易受外部环境影响等缺点。
由于设备对外输出接口只有一根对外的天线，没有太多对外接口，在安装调试及
设备使用的过程中避免了许多人为接触的过程，系统受损的因素大大降低，同时
由于没有设备之间的互联线缆，可以满足一些特殊应用需求。

2万 · 2019-5-23 16:18

物联网变送器网关模块就好比是在无线传感器网络与公共互联网之间架起了
一座通信的桥梁，用于工业现场内部网络包括GSM网络、ZigBee无线网络等其他
无线传感器网络与互联网的相互连接，实现各种信息数据的转换及传输。
网关(Gateway)其实就是一种协议转换器，它实现了不同协议标准下的网络通
信。网关的结构基本上与路由器相类似，唯一不同的是在互连层次上都有不同的
结构形式。网关可以适用于任何网络，是一台承接转换、翻译任务的智能设备。
网桥只是单一的传输数据，而网关则与之不同，它是将所收到的数据重新整理打
包后发送出去，主要是为了与目的设备的接受需求相匹配。同时，网关也可以提
供数据过滤和信息安全功能。
通常情况下，大多数网关都运行在OS工(开放式系统互联)七层协议的最顶
层一一应用层。因此，网关按照功能不同可分为如下两种类型:
1.传输型网关。传输型网关主要功能是在两个网络间建立传输连接。利用传
网关进行数据传输，在多种主机设备之间可以形成多种网络互联式的传输连接。
2.应用型网关。应用型网关主要是在应用层上对两个不同的通信标准进行协
议转换。比如说要在两台设备间进行互发电子邮件，其中一台设备执行的是工SO
(国际标准化组织)制定的电子邮件的传输标准，另一台设备执行的是工TU(国际
电信联盟)制定的协议标准，那么它们之间互发电子邮件时就必须通过网关进行
协议转换。
本设计方案中，物联网变送器网关模块就属于一种传输类型的网关，是连接
传感器网络与物联网的传输设备。变送器网关中的传感器网络接入模块通过与汇
聚节点的通信读取变送器采集到的数据并将其转换成用户可知的信息，如传感器
节点部署区域内的温度、湿度、光强、电压等;然后再通过公共以太网等进行远
距离传输，最后将数据传送到物联网数字服务计算中心。

2万 · 2019-5-23 16:18

在本项目方案中，我们使用了成熟的GPRS TDU通讯模块来与工nternet进行
组网。DTU(中文全称是数据传输单元)，是一种可以实现串口数据和工P数据之间
进行相互转换的无线终端设备。其内部结构主要是由MCU微控制器单元、无线通
讯单元以及电源单元这三部分组成。DTU内部结构如下图所示:

2万 · 2019-5-23 16:18

GPRS DTU的核心功能主要有以下几点:
(1)、内部集成TCP/工P协议栈。从硬件上来看，它可看做是PC机与无线GPRS
MODEM的结合，同时它还具备GPRS拨号上网及数据通信的功能。
(2)、具备了串口数据双向转换功能。DTU通信模块一般会提供多种常用的通
信接口，由于采用的是“透明传输”的方式，数据在传送时已经做了相应的协议
转换处理，用户可直接与设备连接使用，无需任何改动。
(3)、支持自动心跳，可保持永久在线。GPRS通信技术中，DTU模块在与数据
中心的连接响应一旦断开后，会立即向数据中心发送一个小型数据信息包，以继
续保持连接状态。
(4)、支持参数配置，永久保存。为了方便用户应用，DTU模块设置了串口与
计算机相连接，使用户可以对工P地址、数据传输波特率以及外部端口等参数进行
配置。参数配置完成后，会永久保存在内部Flash中。一旦上电，模块就会按照
预先设置好的参数进行工作。

2万 · 2019-5-23 16:19

2万 · 2019-5-23 16:19

面向物联网的压力变送器网关模块，主要用于与面向物联网的压力变送器数
字模块主板配套，与面向物联网的压力变送器数字处理模块主板无线通讯，将采
集数据无线远程传输给服务中心。网关模块由MCU, ZigBee, GPRS, MAX232等模
块组成，实现数据的双向传输与控制。具体方法为:模块MCU控制ZigBee模块与
面向物联网的压力变送器主板模块ZigBee无线通讯，通讯数据经MCU处理后，将
所需数据由GPRS与服务中心无线通讯，反之亦然。

2万 · 2019-5-23 16:19

2万 · 2019-5-23 16:29

电源设计是一个系统的关键所在，它承担着为系统内所有芯片工作提供能源。
网关模块外部供电采用24V直流电源，在整个网关模块中，ZigBee模块采用的是
+3. 3V. DC供电，GPRS模块采用的是++5V. DC供电。因此通过稳压芯片LM2576将24V
电压转换为++5V，通过稳压芯片AS1117将24V电压转换为3. 3V;发光二极管D7为
+5V工作正常指示灯，D5为+3. 3V工作正常指示灯。

智能压力变送器

技术奇才奖章

伴坛终老