压力/差压型传感器温压补偿方法

摘要

本发明涉及一种压力/差压型传感器温压补偿方法，采用了如下温压补偿系统，该温压补偿系统包括主站工控机、控温装置、控压装置、电流输出检测设备、温压补偿工位矩阵电路和气路装置，所述主站工控机与各压力变送器之间分别设有协议转换器，各协议转换器用于接受主站工控机发送的协议帧指令，并依据协议帧指令控制对应的工位压力型传感器的控制板进行工位压力型传感器的压力、温度和电流的标定采样，并将对应采样数据回传至主站工控机。本压力/差压型传感器温压补偿方法成本少，单位时间产品产能高，可控操作灵活，系统维护和维修简易，能够稳定可靠的运行。

说明书

技术领域

本发明涉及压力变送器领域，尤其涉及一种压力/差压型传感器温压补偿 方法。

背景技术

现有的压力变送器传感器温压补偿生产线上采用的是以HART总线为基 础的串行温压补偿系统，以及点对点式的串行温压补偿法，由于采用点对点 式的串行温压补偿法在实际的生产应用都是重复相同的流程来实现压力传感 器的温度、压力和电流的标定，经过多年长期的生产实践验证得出此方法因 应用HART总线而导致压力传感器温压补偿生产周期长、单批次生产合格率 低，以及整套系统在生产应用中可操控性差、维护和维修成本高的问题。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足，提供了一种压力/差压型传感器温压补偿 方法，本压力/差压型传感器温压补偿方法成本少，单位时间产品产能高，可 控操作灵活，系统维护和维修简易，能够稳定可靠的运行。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种压力/差压型传感器 温压补偿方法，采用了如下温压补偿系统，该温压补偿系统包括主站工控机、 控温装置、控压装置、电流输出检测设备、温压补偿工位矩阵电路和气路装 置，所述主站工控机与各压力变送器之间分别设有协议转换器，各协议转换 器用于接受主站工控机发送的协议帧指令，并依据协议帧指令控制对应的工 位压力型传感器的控制板进行工位压力型传感器的压力、温度和电流的标定 采样，并将对应采样数据回传至主站工控机；所述主站工控机与温压补偿工 位矩阵电路电连接，用于驱动温压补偿工位矩阵电路，温压补偿工位矩阵电 路分别与气路装置的各个气路电磁阀电连接，用于控制气路电磁阀进行温压 补偿气路的切换；所述主站工控机分别与控温装置、控压装置电连接，用于 分别控制控温装置、控压装置的温度以及压力输出；所述电流输出检测设备 用于检测工位压力型传感器的压力输出信号，并将检测到的压力输出信号传 递给主站工控机；

采用上述温压补偿系统进行温压补偿的步骤包括：

1)在待温压补偿智能变送器的温度范围区间内依次选取多个温度补偿标 定点，在待温压补偿智能变送器的量程范围区间内依次选取多个压力补偿标 定点，将选定的温度补偿标定点和压力补偿标定点设置在主站工控机中；

2)控温：主站工控机控制设置控温装置的温度，并将温度设置为第1个 温度补偿点，使其恒温延时并趋于稳定状态，当主站工控机监测到控温装置 内在线待温压补偿的压力传感器的温度达到或接近第1个温度补偿点时，则 进行当前温度点下的压力标定；

3)气路选择：主站工控机驱动控制温压补偿工位矩阵电路，将控压装置 的压力输出端与在线待补偿压力传感器的测试端连通；

4)控压：主站工控机控制控压装置，使其压力的输出值为待补偿压力传 感器的第1个压力补偿标定点，当气路管道和压力传感器容室内的气体压力 与控压装置输出的气体压力相等且处于恒压稳定状态时，则准备进行当前压 力标定点的压力标定采样；

5)主站工控机发送并行压力标定协议帧至协议转换器：主站工控机向在 线所有协议转换器发送并行压力采样广播协议帧；

6)协议转换器发送压力标定协议帧至工位控制板：在线所有协议转换器 实时监听主站工控机发来的并行压力标定协议帧，并解析协议帧指令，并将 压力标定指令发送至对应工位传感器的控制板；

7)压力标定数据回传：工位传感器的控制板接收到协议转换器发送的压 力标定协议帧后进行压力标定的采样，并将结果回传协议转换器；协议转换 器将压力标定采样结果进行存储，等待主站工控机读取；

8)完成其它压力标定点的采样：重复步骤4)至7)，完成第1个温度补 偿点下其它压力标定点的采样；

9)温度标定：主站工控机发送并行温度标定采样的广播协议帧告知协议 转换器进行对应工位传感器的温度标定采样，然后协议转换器向对应工位传 感器的控制板发送温度采样指令，最后工位传感器的控制板将温度标定采样 结果回传给协议转换器，等待主站工控机读回；

10)电流标定：与温度标定流程相同；

11)标定数据读回：主站工控机将在线所有压力传感器的压力、温度和 电流标定采样数据从前至后依次读回，并将数据进行文件存储备份；

12)完成其它温度标定点的标定：重复步骤2)至11)，完成其它温度补 偿点的压力标定；

13)温压补偿的线性修正计算：主站工控机进行在线压力传感器的线性 修正计算，并将线性修正系数写入至对应压力传感器内，同时将线性修正系 数进行保存备份。

该协议转换器以M16CM3030RFCP微控制器为核心，微控制器接受PDS 压力变送器温压补偿系统主站自动补偿软件通过RS485总线发送的协议帧控 制，并依据协议帧指令通过RS232总线获取高低温烘箱内部对应工位压力传 感器内相应的数据(包括压力标定采样、温度标定采样、电流标定采样、温 压补偿的线性修正系数、以及协议转换器内部参数等)，并将数据通过RS485 总线回传至系统主站。所述协议转换器包括电源部分、微控制器、RS232总 线驱动芯片和RS485总线驱动芯片，所述电源部分用于分别给微控制器、 RS232总线驱动芯片和RS485总线驱动芯片供电，所述微控制器连接播码开 关，用于各协议转换器的地址配置，所述微控制器分别通过RS485总线驱动 芯片、RS232总线驱动芯片与主站工控机、工位压力变送器进行通讯；

步骤6)所述的协议转换器发送压力标定协议帧至工位控制板的步骤为：

1)协议转换器的微控制器进行初始化配置；

2)置RS485总线为接收态；

3)微控制器对RS485总线进行监听，如果存在协议命令帧，则跳转至4)， 否则跳转至7)；

4)解析主站发来的协议帧指令，如果是读取采样标定数据，则跳转5)。

5)如果是除读取采样标定数据之外的协议帧指令，则跳转6)；

6)置RS485总线为发送态，延时并向主站发送读取采样标定数据响应帧， 延时置RS485总线为接收态；

7)微控制器通过RS232总线向工位控制板发送主站命令意图协议帧，并 处理相应的响应协议帧；

8)当前的运行状态扫描并控制状态指示灯；

9)定时喂狗，并跳转至3)。

主站工控机的串行通讯端口端加RS232转RS485的光电隔离器，所述主 站工控机的RS232转RS485的光电隔离器通过RS485总线与协议转换器的 RS485总线驱动芯片连接。

所述电源部分采用隔离性的DC/DC模块电源供电。所述电源部分包括隔 离电源模块U5、稳压器U11、24V DC电源、二极管D5、变压器T3、双向二 极管V7以及若干电感、电阻、电容，所述24V DC电源的正极与二极管D5 的正极连接，24V DC电源的负极分别与双向二极管V7的一端、电感L12的 一端连接，双向二极管V7的另一端分别与二极管D5的负极、电感L11的一 端连接，电感L12的另一端分别与电容C26的一端、变压器T3的一个输入端 连接，电感L11的另一端分别与电容C26的另一端、变压器T3的另一个输入 端连接，变压器T3的一个输出端与电感L14的一端连接，变压器T3的另一 个输出端与电感L13的一端连接，电感L14的另一端分别与电容C28的一端、 电容C29的一端连接，电容C29的另一端接机壳，电感L13的另一端分别与 电容C28的另一端、电容C30的一端连接，电容C30的另一端接机壳。隔离 电源模块U5的两输入端分别与电容C28的两端连接，隔离电源模块U5的一 输出端与电感L15的一端连接，电感L15的另一端分别与电容E6的正极、电 容C31的一端连接，电容E6的负极、电容C31的另一端接地，电容E6的正 极、负极分别输出VCC-485、GND-485。电容E4的正极、负极分别与电容 C28的两端连接，电容E4的正极与电阻R39的一端连接，电阻R39的另一端 分别与稳压器U11的输入端、电容C25的一端连接，电容E4的负极、稳压器 U11的接地端、电容C25的另一端均接地，稳压器U11的输出端分别与电容 E5的正极、电容C27的一端连接，电容E5的负极、电容C27的另一端均与 稳压器U11的接地端连接，电容E5的正极、负极分别输出VCC-CPU、 GND-CPU。电容E5的正极、负极分别经电阻R41、电阻R42分别与VCC-485、 GND-485连接。电源部分要求模块为24V DC供电，在温压补偿系统中，协 议转换器是作为压力传感器温压补偿标定数据采样的功能块，所以为了提高 RS485总线和RS232总线通信电路抗干扰能力，提高信号传输的可靠性需采 用隔离性的DC/DC模块电源供电。实际的设计应用中将24V DC电源分离出 两组独立5V DC电源，一组作为RS485总线驱动芯片MAX481的电源，另一 组作为RS232总线驱动芯片MAX232和微控制器M16CM3030RFCP的电源。

隔离式协议转换器总线通信部分的设计要满足下面几个要求：其一、该 协议转换器对于温压补偿系统来讲属于从站设备，其通讯总线为RS485总线， 它接受温压补偿系统主站发来的压力、温度、电流、读写线性修正系数等控 制指令，同时为避免来自主站工控机通讯端口电路对协议转换器数据采集和 数据传输的电磁干扰，要求在温压补偿系统的工控机串行通讯端口端加RS232 转RS485的光电隔离器。其二、同样为有效地抑制电磁干扰和消除接地环路 的干扰，提高通信的可靠性，将M16CM3030RFCP微控制器的RXD-485、 TXD-485、CTR-485引脚与RS485总线驱动芯片的接收器输出(RO)、接收器输 出使能(RE)、驱动器使能(DE)、驱动器输入(DI)等引脚之间需加光电隔离器。 其三、该协议转换器对于压力差压传感器工位电路来讲为主站设备，通过 RS232总线来获取对应工位压力差压传感器的压力、温度、电流采样值，以 及温压补偿结束后温压补偿修正系数的读写功能。

隔离式协议转换器数字控制主要完成地址设备地址配置、工作状态指示 和转换器死机复位等三种功能。隔离式协议转换器的地址配置是通过播码开 关来实现，M16CM3030RFCP微控制器通过获取P0和P1两组I/O输入的状 态值来设置协议转换器的地址。隔离式协议转换器的工作状态指示主要分为 微控制器供电状态指示(D6 LED，正常状态为常亮，否则供电异常)、程序运 行状态指示(D7 LED，程序正常运行为常亮，否则闪动)和RS232总线通讯 状态指示(D8 LED，RS232总线通讯正常为常亮，否则闪动)。转换器死机复 位功能就是防止模块死机后无法正常工作，为此在微控制器外加了一个看门 狗。

为了有效地抑制电磁干扰和消除接地环路的干扰，提高通信的可靠性，所述 微控制器的RXD-485引脚与RS485总线驱动芯片的接收器输出端RO之间设 有第10光电隔离器U10，所述微控制器的TXD-485引脚与RS485总线驱动 芯片的驱动器输入端DI之间设有第12光电隔离器U12，所述微控制器的 CTR-485引脚与RS485总线驱动芯片的接收器输出使能端RE之间设有第9 光电隔离器U9，RS485总线驱动芯片的接收器输出使能端RE与驱动器使能 端DE连接。具体电路为：总线通信部分包括RS485总线驱动芯片A4、RS232 总线驱动芯片U13、第10光电隔离器U10、第12光电隔离器U12、第9光 电隔离器U9、非门A3以及若干电阻，所述RS485总线驱动芯片A4的接收 器输出端RO分别与电阻R21的一端、第10光电隔离器U10的一输入端连接， 电阻R21的另一端与微控制器的RXD-485引脚连接，第10光电隔离器U10 的另一输入端经电阻R19与电压VCC-485连接，第10光电隔离器U10的一 输出端分别与电阻R13的一端、微控制器的RXD-485引脚连接，电阻R13的 另一端与电压VCC-CPU连接，第10光电隔离器U10的另一输出端接地。所 述微控制器的TXD-485引脚分别与电阻R45的一端、第12光电隔离器U12 的一输入端连接，电阻R45的另一端与RS485总线驱动芯片A4的驱动器输 入端DI连接，第12光电隔离器U12的另一输入端经电阻R44与电压VCC-CPU 连接，第12光电隔离器U12的一输出端分别与电阻R46的一端、RS485总线 驱动芯片A4的驱动器输入端DI连接，电阻R46的另一端与电压VCC-485连 接，第12光电隔离器U12的另一输出端接地。所述微控制器的CTR-485引 脚分别与电阻R20的一端、第9光电隔离器U9的一输入端连接，电阻R20 的另一端与非门A3的输入端连接，第9光电隔离器U9的另一输入端经电阻 R9与电压VCC-CPU连接，第9光电隔离器U9的一输出端分别与电阻R18 的一端、非门A3的输入端连接，电阻R18的另一端与电压VCC-485连接， 第9光电隔离器U9的另一输出端接地，非门A3的输出端与RS485总线驱动 芯片A4的接收器输出使能端RE、驱动器使能端DE连接。J3与A、B之间的 电路的作用是保护加电源滤波的作用，保护作用就是当电源反接或是电源高 出实际供电电压时不至于所怀A、B端后续的电路。电源滤波由L11、L12、 L13、L14和共模涡流圈(T4)来实现。当客户要求协议转换器为隔离式的转 换器时，这就要求微控制器CPU和RS485驱动芯片MAX481(A4)要单独供电， 且电阻R41、电阻R42不需要焊接。则微控制器CPU的电源供电来自 78M05(U11)，RS485驱动芯片MAX481(A4)的电源供电来自DC/DC转换模 块IB2405LS-1W(U5)。

当客户要求协议转换器为非隔离式的转换器时，此时微控制器CPU和 RS485驱动芯片MAX481(A4)共用同一组电源，且电阻R41、电阻R42需要 焊接。则微控制器CPU的电源和RS485驱动芯片MAX481(A4)电源供电来自 线性电源78M05(U11)。

播码开关S9-S16的一端接地，播码开关S9-S16的另一端分别与电位器 RP3、RP4的一端、微控制器的P0和P1两组I/O输入端连接，电位器RP3、 RP4的另一端与电压VCC-CPU连接。主站工控机的串行通讯端口端加RS232 转RS485的光电隔离器，所述主站工控机的RS232转RS485的光电隔离器通 过RS485总线与协议转换器的RS485总线驱动芯片连接。

所述主站工控机通过PCI总线驱动控制PIO数字接口I/O卡，输出多路 数字I/O信号控制温压补偿工位矩阵电路。

所述控温装置为高低温烘箱。所述控压装置为压力控制器RUSKA 7250。 所述电流输出检测设备为数字万用表Agilent 34401A。其中压力控制器 RUSKA 7250是压力传感器温压补偿生产流程中压力标定的控压设备。高低温 烘箱是压力传感器的温度标定设备。数字万用表Agilent 34401A是4-20mA输 出检测设备用于进行电流标定。所有工业现场所使用的自动化仪表都要求有 4-20mA输出，所以PDS压力变送器也不例外，必须有4-20mA输出，既然 有就要进行相关的电流标定。其实在工业现场PDS变送器4-20mA输出实际 上就是对应的压力监测输出，既4mA对应0压力输出，20mA对应传感器满 量程压力输出。数字万用表是用来检测工位传感器电流输出的，首先是主站 控制软件向工位传感器发送4mA(1V)输出指令，然后主站控制软件通过 GPIB总线从数字万用表中读取当前对应传感器4mA(1V)输出测量值；同 理，完成20mA(5V)标定检测。

主站工控机是该系统的核心，安装在工控机上的自动温压补偿软件通过 通过GPIB总线实现在压力传感器温压补偿生产流程中对压力控制器RUSKA  7250和数字万用表Agilent 34401A的操作控制；通过PCI总线驱动控制基于 CH365芯片的数字I/O接口卡，输出32路的数字I/O，实现对矩阵电路控制， 完成压力传感器标定气路的选择；通过RS485总线实现对高低温烘箱控温操 作。

温压补偿工位矩阵电路：该部分是由PCI总线驱动控制基于CH365芯片 的数字I/O接口卡输出32路数字I/O进行阵列组合设计的电路，其功能是控 制主站通过PCI总线控制实现温压补偿气路的切换。

工位压力变送器内设有工位控制采集板：该部分电路主要是接收解析来 自温压补偿系统主站的协议帧，依据协议帧指令完成当前工位压力传感器的 压力标定、温度标定和电流标定的采样、线性修正系数的读写等功能。

气路装置：该部分主要由气源、气路管道、传感器安装夹具和基架。气 路管道是气源通过压力控制器输出恒定压力至压力传感器的输出通道。气路 管道上设有若干气路电磁阀。传感器安装夹具是压力传感器与气路的连接部 分，主要完成气路管道与压力传感器之间的密封性。气源由PDS型压力变送 器生产线专门设计的为压力或是差压型传感器进行温压补偿提供压力源的气 体装置，该装置所提供气体压力源首先供给压力控制器，然后由自动温压补 偿系统软件通过GPIB总线控制压力控制器来输出相应的标定压力值至烘箱内 部传感器的夹具上。

各工位传感器的控制板包括微控制器、AD采样电路、HART总线通讯电 路、存储器、压力信号采集电路、温度信号采集电路，所述压力信号采集电 路用于接收传感器部分采集的压力信号，并传递给AD采样电路，所述温度 信号采集电路用于接收传感器部分采集的温度信号，并传递给AD采样电路， 所述AD采样电路用于分别采样压力和温度信号，并将得到的压力AD采样值 和温度AD采样值传递给微控制器，所述HART总线通讯电路用于实现微控 制器与温压补偿线性修正系统中的主站工控机之间的通信，用于实现主站工 控机对在线待温压补偿的智能压力变送器的压力和温度信号标定采样。所述 微控制器与AD采样电路之间采用SPI总线进行通讯。微控制器是主控单元， ADS1241芯片是受控单元，它们之间的通讯总线采用的是SPI总线，当进行 压力标定采样时，微控制器通过SPI总线向ADS1241芯片发送通道切换指令， 使压力信号输出到ADS1241芯片的A+和A-引脚，然后，微控制器通过SPI 总线读取A+和A-通道的压力标定采样结果；同理完成温度信号的采样。

传感器、存储器、压力信号采集电路、温度信号采集电路均设置在数字 采集板上。微控制器、AD采样电路、HART总线通讯电路均设置在数字控制 板上。该数字采集板主要完成三个功能，其一是传感器的压力差分信号(N1 和COM)经过运放(D1A和D1B均为运放器TLC252C)后通过接插件(A+ 和A-)传输给数字控制板的AD端；其二是传感器的温度信号(T)经过采样 标定电阻后形成差分信号(T+和T-)通过接插件传输给数字控制板的AD端； 其三是温压补偿线性修正系数的存储功能，将最终的补偿系数存储在非易失 性存储器(D2为非易失性存储器25LC160)。压力/差压传感器的压力和温度 差分数字信号通过接插件传输给变送器数字控制板的AD端。数字控制板的 AD采样部分，它是采用24位的4组差分采样通道的ADS1241(D4)采样芯 片为基础，完成压力信号(A+和A-)和温度信号(T+和T-)的数字采集，然 后主板的M16CM3030RFCP微控制器通过SPI总线控制ADS1241芯片采样通 道的切换，并读取当前实时压力和温度数据信号的处理结果。数字控制板的 HART总线通讯电路，该部分电路主要以HART驱动芯片A5191HRTP(D11) 为核心，完成PDS变送器主板与温压补偿系统控制主站之间的通信，实现主 站对在线温压补偿压力/差压传感器压力和温度信号标定采样，最终实现在线 所有传感器的温压补偿线性修正的过程。

本发明采用上述技术方案的有益效果为：该温压补偿系统配合方法不但 解决了以往点对点式的温压补偿系统中存在的单批次压力差压传感器温压补 偿时间长、单位时间内产品产能低、温压补偿电路冗余性的缺失和维修困难， 以及温压补偿系统标定设备的维护与维修成本高的问题；而且解决现存并行 温压补偿系统因应用HART总线而导致压力传感器温压补偿生产周期长、单 批次生产合格率低，以及整套系统在生产应用中可操控性差、维护和维修成 本高的问题；同时该隔离式协议转换器在PDS温压补偿系统中维护和维修简 易，可控操作灵活，代码移植较易，还支持带电插拔的功能。

附图说明

图1为本发明的方法步骤流程图；

图2为本发明的温压补偿系统组网示意图；

图3为本发明的温压补偿气路的示意图；

图4为本发明的协议转换器的电源部分的电路图；

图5为本发明的协议转换器的总线通信部分的电路图；

图6为本发明的协议转换器的数字控制部分的电路图；

图7为自拟协议命令帧的示意图；

图8为自拟协议命令响应帧的示意图；

图9为协议转换器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1和图2，一种压力/差压型传感器温压补偿方法，采用了如下温 压补偿系统，该温压补偿系统包括主站工控机、控温装置、控压装置、电流 输出检测设备、温压补偿工位矩阵电路和气路装置，所述主站工控机与各压 力变送器之间分别设有协议转换器，各协议转换器用于接受主站工控机发送 的协议帧指令，并依据协议帧指令控制对应的工位压力型传感器的控制板进 行工位压力型传感器的压力、温度和电流的标定采样，并将对应采样数据回 传至主站工控机；所述主站工控机与温压补偿工位矩阵电路电连接，用于驱 动温压补偿工位矩阵电路，温压补偿工位矩阵电路分别与气路装置的各个气 路电磁阀电连接，用于控制气路电磁阀进行温压补偿气路的切换；所述主站 工控机分别与控温装置、控压装置电连接，用于分别控制控温装置、控压装 置的温度以及压力输出；所述电流输出检测设备用于检测工位压力型传感器 的压力输出信号，并将检测到的压力输出信号传递给主站工控机。

采用上述温压补偿系统进行温压补偿的步骤包括：

1)在待温压补偿智能变送器的温度范围区间内依次选取多个温度补偿标 定点，在待温压补偿智能变送器的量程范围区间内依次选取多个压力补偿标 定点，将选定的温度补偿标定点和压力补偿标定点设置在主站工控机中。

PDS型压力变送器的压力或差压传感器在出厂前都要进行一次完整的全 温区温压补偿标定，并在全温区内选取120/85/65/45/25/5/-15/-40℃等作为 温度补偿点，同时在对应温度点下还要进行压力和电流的标定。对于压力型 的传感器通常选取该类型传感器满量程的 0.0/0.05/0.1/0.15/0.2/0.3/0.4/0.5/0.65/0.8/1.0作为压力补偿标定点。对于差 压型的传感器通常选取该类型传感器满量程的 -1.0/-0.8/-0.65/-0.5/-0.4/-0.3/-0.2/-0.15/-0.1/-0.05/0.0/0.05/0.1/0.15/0.2/0.3 /0.4/0.5/0.65/0.8/1.0作为压力补偿标定点。

2)控温：主站软件通过RS485总线控制设置高低温烘箱的温度，并将温 度设置为第1个温度补偿点120℃，使其恒温延时并趋于稳定状态。当系统软 件监测烘箱内在线待温压补偿的压力传感器的温度达到或接近120℃时，则进 行当前温度点下的压力标定；

3)气路选择：主站软件通过PCI总线驱动控制PIO数字I/O矩阵电路， 将压力控制器RUSKA 7250的压力输出端与在线待补偿压力传感器的测试端 连通。

4)控压：主站软件通过GPIB总线控制压力控制器RUSKA 7250，使其压 力的输出值为待补偿压力传感器的第1个压力补偿标定点，即为待补偿压力 传感器满量程的0.0。当气路管道和压力传感器容室内的气体压力与压力控制 器RUSKA 7250输出的气体压力相等且处于恒压稳定状态时，则准备进行当 前压力标定点的压力标定采样。

5)主站发送并行压力标定协议帧至协议转换器：主站软件通过RS485总 线向在线所有协议转换器发送并行压力采样广播协议帧。

6)协议转换器发压力标定协议帧至工位控制板：在线所有隔离式协议转 换器实时监听主站软件发来的并行压力标定协议帧，并解析协议帧指令，并 将压力标定指令发送至对应工位压力传感器的控制板。

7)压力标定数据回传：工位控制板接收到协议转换器发压力标定协议帧 后进行压力标定的采样、滤波，并将结果回传协议转换器。协议转换器将压 力标定采样结果进行存储，等待主站的读取。

8)完成其它压力标定点的采样滤波：重复步骤4)至7)，完成120℃补 偿温度下其它压力标定点的采样(在线待补偿压力型传感器满量程的0.05、 0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.65、0.8、1.0)。

9)温度标定：与并行压力标定采样基本相同，首先是主站发送并行温度 标定采样的广播协议帧告知协议转换器进行对应工位压力传感器的温度标定 采样，然后协议转换器向对应工位传感器控制板发送温度采样指令，最后工 位将温度标定采样结果回传给协议转换器，等待主站读回。

10)电流标定：与温度标定流程相同，不做赘述。

11)标定数据读回：主站自动温压补偿控制软件通过RS485总线将在线 所有压力传感器的压力、温度和电流标定采样数据从前至后依次读回，并将 数据进行文件存储备份。

12)完成其它温度标定点的标定：重复步骤2)至11)，完成其它温度补 偿点的压力标定(85℃、65℃、45℃、25℃、5℃、-15℃、-40℃)；

13)温压补偿的线性修正计算：主站软件进行在线压力传感器的线性修 正计算，并将线性修正系数通过RS485总线写入至对应压力传感器内，同时 将线性修正系数进行保存备份；

14)温压补偿结果报告：主站软件完成在线压力传感器的温压补偿，并 将结果报告生产用户。

所述控温装置为高低温烘箱。所述控压装置为压力控制器RUSKA 7250。 所述电流输出检测设备为数字万用表Agilent 34401A。其中压力控制器RUSKA  7250是压力传感器温压补偿生产流程中压力标定的控压设备。高低温烘箱是 压力传感器的温度标定设备。数字万用表Agilent 34401A是4-20mA输出检测 设备用于进行电流标定。所有工业现场所使用的自动化仪表都要求有4-20mA 输出，所以PDS压力变送器也不例外，必须有4-20mA输出，既然有就要进行 相关的电流标定。其实在工业现场PDS变送器4-20mA输出实际上就是对应的 压力监测输出，既4mA对应0压力输出，20mA对应传感器满量程压力输出。 数字万用表是用来检测工位传感器电流输出的，首先是主站控制软件向工位 传感器发送4mA(1V)输出指令，然后主站控制软件通过GPIB总线从数字万 用表中读取当前对应传感器4mA(1V)输出测量值；同理，完成20mA(5V) 标定检测。

主站工控机是该系统的核心，安装在工控机上的自动温压补偿软件通过 通过GPIB总线实现在压力传感器温压补偿生产流程中对压力控制器RUSKA  7250和数字万用表Agilent 34401A的操作控制；通过PCI总线驱动控制基于 CH365芯片的数字I/O接口卡，输出32路的数字I/O，实现对矩阵电路控制，完 成压力传感器标定气路的选择；通过RS485总线实现对高低温烘箱控温操作。

温压补偿工位矩阵电路：该部分是由PCI总线驱动控制基于CH365芯片的 数字I/O接口卡输出32路数字I/O进行阵列组合设计的电路，其功能是控制主站 通过PCI总线控制实现温压补偿气路的切换。

工位压力变送器内设有工位控制采集板：该部分电路主要是接收解析来 自温压补偿系统主站的协议帧，依据协议帧指令完成当前工位压力传感器的 压力标定、温度标定和电流标定的采样、线性修正系数的读写等功能。

气路装置：该部分主要由气源、气路管道、传感器安装夹具和基架。气 路管道是气源通过压力控制器输出恒定压力至压力传感器的输出通道。气路 管道上设有若干气路电磁阀。传感器安装夹具是压力传感器与气路的连接部 分，主要完成气路管道与压力传感器之间的密封性。气源由PDS型压力变送器 生产线专门设计的为压力或是差压型传感器进行温压补偿提供压力源的气体 装置，该装置所提供气体压力源首先供给压力控制器，然后由自动温压补偿 系统软件通过GPIB总线控制压力控制器来输出相应的标定压力值至烘箱内部 传感器的夹具上。

参见图3，为PDS型差压型传感器温压补偿气路的设计，简单的系统内只 有一台压力控制器，只进行同一量程的传感器进行温压补偿；复杂的系统内 有多台压力控制器，同时进行几种类型传感器的温压补偿。就上图而言，当 所选量程为400Kpa的差压型传感器进行温压补偿控制气路的流程如下：

1、首先在量程为400Kpa的压力控制器供压端安装一个减压阀，其目的是 防止气源压力过大损坏压力控制器设备。

2、温压补偿系统软件通过PCI总线控制PIO数据电路，驱动控制球形阀3、 5、7、8、9，10、11、12、13、14、16开通，球形阀1、2、4、6、15关闭， 其目的使压力控制器的输出压力直接供给1-48变送器传感器的正端，负端直 接与大气相通。

3、依据压力标定点完成差压型传感器正端的压力标定；

4、同理，温压补偿系统软件通过PCI总线控制PIO数据电路，驱动控制球 形阀3、6、7、8、9，11、12、13、14、15开通，球形阀1、2、4、5、16关 闭，其目的使压力控制器的输出压力直接供给1-48变送器传感器的负端，正 端直接与大气相通。

5、依据压力标定点完成差压型传感器负端的压力标定；

如果在线只有12台差压型传感器进行温压补偿，并且只用到1-12号变送器 所使用的夹具，则进行正端压力标定时开通球形阀3、5、7、11、16，其他球 形阀关闭；进行负端压力标定时开通球形阀3、6、7、11、15，其他球形阀关 闭。

隔离式协议转换器的工作原理：该协议转换器以M16CM3030RFCP微控 制器为核心，微控制器接受PDS压力变送器温压补偿系统主站自动补偿软件 通过RS485总线发送的协议帧控制，并依据协议帧指令通过RS232总线获取 高低温烘箱内部对应工位压力传感器内相应的数据(包括压力标定采样、温 度标定采样、电流标定采样、温压补偿的线性修正系数、以及协议转换器内 部参数等)，并将数据通过RS485总线回传至系统主站。

隔离式协议转换器的硬件设计主要分为电源部分、总线通信部分和数字 控制三部分。其中电源部分要求模块为24V DC供电，在温压补偿系统中，协 议转换器是作为压力传感器温压补偿标定数据采样的功能块，所以为了提高 RS485总线和RS232总线通信电路抗干扰能力，提高信号传输的可靠性需采 用隔离性的DC/DC模块电源供电。实际的设计应用中将24V DC电源分离出 两组独立5V DC电源，一组作为RS485总线驱动芯片MAX481的电源，另一 组作为RS232总线驱动芯片MAX232和微控制器M16CM3030RFCP的电源。 见图4为隔离式协议转换器的电源原理图。

隔离式协议转换器总线通信部分的设计要满足下面几个要求：其一、该 协议转换器对于温压补偿系统来讲属于从站设备，其通讯总线为RS485总线， 它接受温压补偿系统主站发来的压力、温度、电流、读写线性修正系数等控 制指令，同时为避免来自主站工控机通讯端口电路对协议转换器数据采集和 数据传输的电磁干扰，要求在温补系统的工控机串行通讯端口端加RS232转 RS485的光电隔离器。其二、同样为有效地抑制电磁干扰和消除接地环路的 干扰，提高通信的可靠性，将M16CM3030RFCP微控制器的RXD-485、 TXD-485、CTR-485引脚与RS485总线驱动芯片的接收器输出(RO)、接收器输 出使能(RE)、驱动器使能(DE)、驱动器输入(DI)等引脚之间需加光电隔离器。 其三、该协议转换器对于压力差压传感器工位电路来讲为主站设备，通过 RS232总线来获取对应工位压力差压传感器的压力、温度、电流采样值，以 及温压补偿结束后温压补偿修正系数的读写功能。见图5为隔离式协议转换 器总线通信部分的电路原理图。

隔离式协议转换器数字控制主要完成地址设备地址配置、工作状态指示 和转换器死机复位等三种功能。隔离式协议转换器的地址配置是通过播码开 关来实现，M16CM3030RFCP微控制器通过获取P0和P1两组I/O输入的状 态值来设置协议转换器的地址。隔离式协议转换器的工作状态指示主要分为 微控制器供电状态指示(D6LED，正常状态为常亮，否则供电异常)、程序运 行状态指示(D7LED，程序正常运行为常亮，否则闪动)和RS232总线通讯 状态指示(D8LED，RS232总线通讯正常为常亮，否则闪动)。转换器死机复 位功能就是防止模块死机后无法正常工作，为此在微控制器外加了一个看门 狗。这是一个外置的看门狗，在小于1.6秒内必须给一次脉冲，否则协议转换 器就会产生复位。该看门狗的作用就是防止微控制器死机，所以要定时喂狗。 见图6为隔离式协议转换器的数字控制电路原理图。

具体电路为：参见图5，总线通信部分包括RS485总线驱动芯片A4、RS232 总线驱动芯片U13、第10光电隔离器U10、第12光电隔离器U12、第9光 电隔离器U9、非门A3以及若干电阻，所述RS485总线驱动芯片A4的接收 器输出端RO分别与电阻R21的一端、第10光电隔离器U10的一输入端连接， 电阻R21的另一端与微控制器的RXD-485引脚连接，第10光电隔离器U10 的另一输入端经电阻R19与电压VCC-485连接，第10光电隔离器U10的一 输出端分别与电阻R13的一端、微控制器的RXD-485引脚连接，电阻R13的 另一端与电压VCC-CPU连接，第10光电隔离器U10的另一输出端接地。所 述微控制器的TXD-485引脚分别与电阻R45的一端、第12光电隔离器U12 的一输入端连接，电阻R45的另一端与RS485总线驱动芯片A4的驱动器输 入端DI连接，第12光电隔离器U12的另一输入端经电阻R44与电压VCC-CPU 连接，第12光电隔离器U12的一输出端分别与电阻R46的一端、RS485总 线驱动芯片A4的驱动器输入端DI连接，电阻R46的另一端与电压VCC-485 连接，第12光电隔离器U12的另一输出端接地。所述微控制器的CTR-485 引脚分别与电阻R20的一端、第9光电隔离器U9的一输入端连接，电阻R20 的另一端与非门A3的输入端连接，第9光电隔离器U9的另一输入端经电阻 R9与电压VCC-CPU连接，第9光电隔离器U9的一输出端分别与电阻R18 的一端、非门A3的输入端连接，电阻R18的另一端与电压VCC-485连接， 第9光电隔离器U9的另一输出端接地，非门A3的输出端与RS485总线驱动 芯片A4的接收器输出使能端RE、驱动器使能端DE连接。

参见图6，播码开关S9-S16的一端接地，播码开关S9-S16的另一端分别 与电位器RP3、RP4的一端、微控制器的P0和P1两组I/O输入端连接，电位 器RP3、RP4的另一端与电压VCC-CPU连接。主站工控机的串行通讯端口端 加RS232转RS485的光电隔离器，所述主站工控机的RS232转RS485的光 电隔离器通过RS485总线与协议转换器的RS485总线驱动芯片连接。

参见图4，所述电源部分采用隔离性的DC/DC模块电源供电。所述电源部 分包括隔离电源模块U5、稳压器U11、24V DC电源、二极管D5、变压器T3、 双向二极管V7以及若干电感、电阻、电容，所述24V DC电源的正极与二极 管D5的正极连接，24V DC电源的负极分别与双向二极管V7的一端、电感 L12的一端连接，双向二极管V7的另一端分别与二极管D5的负极、电感L11 的一端连接，电感L12的另一端分别与电容C26的一端、变压器T3的一个输 入端连接，电感L11的另一端分别与电容C26的另一端、变压器T3的另一个 输入端连接，变压器T3的一个输出端与电感L14的一端连接，变压器T3的 另一个输出端与电感L13的一端连接，电感L14的另一端分别与电容C28的 一端、电容C29的一端连接，电容C29的另一端接机壳，电感L13的另一端 分别与电容C28的另一端、电容C30的一端连接，电容C30的另一端接机壳。 隔离电源模块U5的两输入端分别与电容C28的两端连接，隔离电源模块U5 的一输出端与电感L15的一端连接，电感L15的另一端分别与电容E6的正极、 电容C31的一端连接，电容E6的负极、电容C31的另一端接地，电容E6的 正极、负极分别输出VCC-485、GND-485。电容E4的正极、负极分别与电容 C28的两端连接，电容E4的正极与电阻R39的一端连接，电阻R39的另一端 分别与稳压器U11的输入端、电容C25的一端连接，电容E4的负极、稳压 器U11的接地端、电容C25的另一端均接地，稳压器U11的输出端分别与电 容E5的正极、电容C27的一端连接，电容E5的负极、电容C27的另一端均 与稳压器U11的接地端连接，电容E5的正极、负极分别输出VCC-CPU、 GND-CPU。电容E5的正极、负极分别经电阻R41、电阻R42分别与VCC-485、 GND-485连接。

隔离式协议转换器的协议原理及软件研发

要实现隔离式协议转换器在PDS型压力变送器自动并行温压补偿系统中 应用，首先就要使温补系统主站、协议转换器和工位控制采集板三方必须有 一个统一的通讯协议，才能保证协议转换器有机的融入到温压补偿系统中， 进而实现系统的正常运转，以及解决现在基于HART总线型串行温压补偿系统 中存在的问题。整套温压补偿系统，不论是系统控制主站，还是隔离式协议 转换器和工位控制采集板，采用的都是自拟的类似于MODBUS协议的总线协 议来实现压力差压型传感器的压力、温度、电流，以及对于传感器温压补偿 线性修正系数的读写等功能。见图7为自拟协议命令帧。见图8为自拟协议 命令响应帧。

隔离式协议转换器控制软件的设计主要完成协议功能模块和辅助功能模 块。其中协议功能模块主要为从主协议模块和主从协议模块。从主协议模块 是隔离式协议转换器通过RS485总线接收主站自动温压补偿系统的协议帧控 制，在此过程中协议转换器属于从属设备，受控于温补系统。主从协议模块 是隔离式协议转换器通过RS232总线控制对应工位控制板进行工位压力差压 传感器的压力、温度和电流的标定采样与数据回传。辅助功能模块主要为拨 码开关式的地址配置、协议转换器状态指示控制和复位控制。拨码开关式的 地址配置是为隔离式协议转换器分配地址，软件只需读取P0、P1I/O引脚的 状态值即可。状态指示控制主要是方便用户可直接的通过目测就可知道在线 的隔离式协议转换器是否正常工位，RS232总线的通讯是否正常。复位控制 主要是通过定时器定时的向看门狗发送占空比为50％,周期小于100ms的脉冲 信号。参见图9，软件的具体流程如下：

1)M16CM3030RFCP微控制器对PLL锁相环、相关参数、I/O端口、控制寄 存器及中断向量进行初始化配置。

2)置RS485总线为接收态。

3)微控制器对RS485总线进行监听，如果存在协议命令帧，则跳转至4)， 否则跳转至7)。

4)解析主站发来的协议帧指令，如果是读取采样标定数据，则跳转5)。如果 是除读取采样标定数据之外的协议帧指令，则跳转6)。

5)置RS485总线为发送态，延时并向主站发送读取采样标定数据响应帧，延 时置RS485总线为接收态。

6)微控制器通过RS232总线向工位控制板发送主站命令意图协议帧，并处理 相应的响应协议帧

7)当前的运行状态扫描并控制状态指示灯。

8)定时喂狗，并跳转至3)。

隔离式协议转换器的工程实例与对比分析

基于HART总线型的并行温压补偿系统与隔离式协议转换器的并行温压补 偿系统在压力传感器温压补偿原理上没有区别，都是采用一对多式的同步并 行标定采样的模式，然而在补偿硬件和软件方面则有一定程度上的差别。对 于基于HART总线型的并行温压补偿系统中温压补偿硬件主要是以通讯波特率 为1200B/S的HART总线为基础，通过PCI总线驱动控制PIO数字I/O矩阵电路， 实现工位HART总线的选通和气路的切换选择控制，同时采用自拟的类似 HART总线协议的规约协议来完成压力差压传感器的温压补偿生产流程中的压 力标定采样。而基于隔离式协议转换器的并行温压补偿系统中温压补偿硬件 主要是隔离式协议转换器和矩阵切换电路两部分独立的电路。其中隔离式协 议转换器接受主站控制，依据协议帧指令完成相应的压力、温度同步标定， 以及采样数据、线性修正系数的读写等功能。矩阵切换电路是以PCI总线为 基础，驱动控制PIO48数字I/O来实现对系统中补偿气路的切换选择。在软件 方面，基于HART总线型的并行温压补偿系统和基于隔离式协议转换器的并行 温压补偿系统没有太大的区别，各自的系统严格按照压力差压传感器温压补 偿流程和自拟协议组帧规范进行研发均可实现。见表1为两种并行系统在工 程实例中的详细对比。

表1 两种并行系统在工程实例中的对比

为使读者更清楚表1中前8项的数据来源和依据，见公式(1)(2)。其中为公 式(1)PDS压力变送器并行温压补偿系统进行单批次的传感器温压补偿的总时 间：

T_Tot＝(T_Oven+(T_Pre+T_Samp)×N_PNum)×N_TNum   (1)

其中：

T_Tot：单批次压力传感器温压补偿总时间(分钟)；

T_Oven：每个温度补偿点下烘箱恒温时间(分钟)；

T_Pre：每个压力标定点下的控压时间(分钟)；

T_Samp：并行压力标定采样时间(分钟)；

N_PNum：每个温度补偿点下的压力标定数量；

N_TNum：温度补偿选取的温度点的数量；

公式(2)为PDS压力变送器并行温压补偿系统进行单台传感器的生产时 间：

T_Unit＝T_Tot/N_SNum   (2)

其中：N_SNum为在线温压补偿传感器的数量；

表1中的前6项参数在PDS压力变送器并行温压补偿系统中是固定的常 数，会依据组建系统的大小而进行相应改动。表中的第7、8两个对比项是依 据公式(1)(2)计算得出。

应用本文提出的隔离式协议转换器在PDS型压力变送器温压补偿系统上 的应用，其前提是不改变现有温度补偿系统中的设备平台，只将现存的以 HART总线为通讯基础，以PCI总线驱动控制PIO数字I/O卡实现的HART 工位总线切换矩阵电路替换为以RS485总线为通讯基础的隔离式协议转换 器。其目的有五：其一、简化了温压补偿系统中的补偿电路；其二、提高了 主站与工位压力差压传感器之间的通讯速率；其三、支持在线每一工位独立 的带电热插拔操作；其四、使系统的维护和维修简单；其五、另以PCI总线 驱动控制PIO数字I/O卡完全的独立出来，只用于温压补偿中基架上待补偿 传感器气路的选择切换控制。在实际的验证与测试中发现，该发明成果除了 能够解决现在温压补偿系统存在的问题外，而且该成果还能够在极短周期内 移植于任意一套压力传感器温压补偿系统上，同时该隔离式协议转换器在生 产应用中还支持带电插拔的功能。