壓力變送器抗干擾軟件設計

摘要：針對礦用壓力變送器采集值易受環(huán)境影響而產(chǎn)生異常值，設計了一種抗干擾能力強的軟件方案，介紹了軟件設計流程。把采集到的壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過Ａ／Ｄ采樣電路，將采樣模擬信號通過選定的定斜率直線分段分割，再通過選定的中位值平均濾波算法進行軟件濾波優(yōu)化，對采樣芯片采集到的Ａ／Ｄ值進行換算處理，非常后將這些值轉(zhuǎn)換為代碼字符串進行通信傳輸，此算法在實際應用中取得了良好的效果。

引言

   礦用壓力變送器現(xiàn)場使用中需要安裝在不同口徑的管道上面，用不同的量程對管道里面的液體或氣體進行壓力的采集測試，在對壓力采集的過程中，三暢變送器會受到諸如電磁、環(huán)境溫度、腐蝕、振動、沖擊等因素的影響，從而使變送器采集值產(chǎn)生誤差，例如零點飄逸、滿刻度飄逸等，如何避免或降低這些誤差的產(chǎn)生，這個關鍵的問題，就需要用不同方式的濾波和嵌入式軟件程序在算法上進行處理，從而保證壓力變送器采集值的正確性。礦用壓力變送器抗干擾軟件設計，對３種軟件濾波算法進行了對比，通過對比采用了中位值平均濾波算法，并闡述和講解了軟件設計中的ＲＳ４８５通信協(xié)議規(guī)約和系統(tǒng)的通信流程。

１　壓力變送器Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換

    Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換是通過一定的電路將采集到的模擬量信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號并進行存儲的一種電路轉(zhuǎn)換方式。Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換技術(shù)是現(xiàn)實各種模擬信號通向數(shù)字世界的橋梁，作為將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的Ａ／Ｄ有積分、逐次逼近、并行等幾種方式可以采取。

     本文所研究的壓力變送器Ａ／Ｄ采樣轉(zhuǎn)換是通過分段的方式將一定范圍內(nèi)的電壓值所對應的壓力值，按照線性關系，以２１２的計數(shù)方式對采樣的電壓０．５～４．５Ｖ信號進行分割分段處理，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進而存儲在１２位的寄存器中，等待ＣＰＵ對數(shù)據(jù)的隨時調(diào)用。對電壓采樣信號的Ａ／Ｄ值如何進行分割分段。

Ａ／Ｄ采樣分段分割對應處理

２　壓力變送器濾波處理

    在壓力變送器進行Ａ／Ｄ采樣轉(zhuǎn)換過程中，會受到外界不同脈沖信號對其采樣的干擾，即造成壓力采樣值出現(xiàn)不精確甚至計數(shù)錯誤。所以，對不正常的干擾信號進行濾波很有必要。信號濾波包括硬件濾波和軟件濾波２種方式。硬件濾波一般采用ＬＣ諧振電路或者ＲＣ網(wǎng)絡作為濾波器件，硬件濾波一般對異性波進行過濾，而對同頻率同幅值周期不一致的難以過濾去除，那么此時采用數(shù)字濾波就會很好地處理這種情況。

    數(shù)字濾波就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾信號在有用信號中的比重，因此它實際上是一個軟件程序濾波，常用的濾波方式有算術(shù)平均值濾波法、限幅濾波、中位值平均濾波法、低通濾波、高通濾波等，通過信號濾波以及軟件程序算法對采樣信號的處理，可以把正確的采樣值存儲在寄存器中，等待核心ＣＰＵ對其調(diào)用。以下重點對３種濾波法進行詳細講述。

２．１　算術(shù)平均值濾波法

    算術(shù)平均值濾波算法其流程為：采樣值進入中斷或者查詢，然后把采到的Ａ／Ｄ值放入緩存或寄存器Ｂｕｆｆｅｒ，從第１次計數(shù)累計采樣次數(shù)，退出中斷或者查詢；然后再進入下一次循環(huán)，等累計采樣次數(shù)達到要求時，此輪采樣結(jié)束；非常后把采樣值進行算數(shù)平均計算，從而得出一個采樣實時數(shù)據(jù)。其采樣存儲一次數(shù)據(jù)流程如圖２所示。

Ａ／Ｄ采樣存儲一次數(shù)據(jù)流程

    采樣Ｍ次完成后，程序就對所采樣的值進行算術(shù)平均數(shù)據(jù)計算，Ｍ次數(shù)據(jù)累加和得出數(shù)據(jù)ＳＵＭ，然后再進行Ｍ次算術(shù)平均值計算，非常后得出一個采樣周期的算術(shù)平均值Ｖａｌｅ，其算法主要代碼如下：

    此算法適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，采集到的信號會在某一數(shù)值范圍附近上下波動，但是對于測量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計算速度較快的實時控制不太適用，并且這種算法比較浪費ＲＡＭ。

２．２　限幅濾波

    限幅濾波算法流程：先確定２次采樣允許的非常大偏差值（設為Ｄ），每次檢測到新值時進行判斷。先把第１次的采樣值進行存儲，每次檢測到新值就與上次的值相減，如果差值≤Ｄ，則此次值有效，如果差值＞Ｄ則此次值無效，丟棄此次值，用上次采樣值代替本次值。

２．３　中位值平均濾波法

     中位值平均濾波算法的流程為：按照平均算術(shù)濾波算法的流程，連續(xù)采樣Ｍ個數(shù)據(jù)，分別確定Ｍ個數(shù)據(jù)中的非常大值和非常小值，然后丟棄非常大值和非常小值，再計算Ｍ－２個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，把此采樣周期內(nèi)的值放入寄存器，以供隨時進行調(diào)用。中位值平均算法流程如圖４所示。

     此算法可去除偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，但是測量速度較慢，和算術(shù)平均濾波法一樣，比較占用ＲＡＭ空間。

     礦用壓力變送器的采樣電壓信號變化比較緩慢，信號躍變較小，采用１６位ＲＡＭ寄存器，采樣１００次的Ａ／Ｄ值有足夠的存儲空間，且采樣非常終計算值能達到變送器的計算精度。經(jīng)過以上３種算法的比較，非常終篩選采用中位值平均濾波算法作為壓力變送器的非常佳算法。

３　數(shù)據(jù)通信傳輸

    壓力變送器在進行濾波采樣后，因為沒有直接的數(shù)據(jù)顯示，所以它還需要把采樣數(shù)據(jù)進行處理，轉(zhuǎn)換為ＲＳ４８５傳輸?shù)淖址蛘哳l率信號進行外部輸出。且ＲＳ４８５具有較好的噪聲抑制能力、較快的數(shù)據(jù)傳輸速率及較高的可靠性等優(yōu)點，制定ＲＳ４８５字符串通信規(guī)約后，三暢變送器才能與其他設備進行正常的數(shù)字通信傳輸。ＲＳ４８５通信規(guī)約見表１和表２，就協(xié)議的規(guī)定做了詳細解釋。

    ＲＳ４８５與其他通設備通信的流程如圖５所示。壓力變送器經(jīng)過以上通信協(xié)議的規(guī)約，就可以把濾波算法處理后的采樣值進行編碼處理，然后通過ＲＳ４８５總線方式和其他外接設備進行通信傳輸。

４　應用效果

    壓力變送器經(jīng)過開發(fā)和算法的抗干擾的優(yōu)化，以及數(shù)字化的通信方式，所采取的一系列施，使三暢壓力變送器在實際的使用當中取得了不錯的效果，得到了廣大客戶認可，其中實際使用連接模擬圖和變送器數(shù)據(jù)采集中心站軟件界。

５　結(jié)語

    壓力變送器Ａ／Ｄ值采樣１００次以及進行中位值平均濾波算法完成一個周期，所需要的時間在２ｍｓ左右，Ａ／Ｄ采樣精度能達到１．５‰，能完全滿足整機計算出的壓力值精度為３．０‰的要求。

   通過對壓力變送器濾波算法的詳細分析，和ＲＳ４８５通信協(xié)議規(guī)約及與其他通信設備的正常通信，這種礦用壓力變送器的軟件設計，很好地解決了變送器出現(xiàn)異常值以及通信不穩(wěn)定抗干擾能力差的問題，在淮北礦業(yè)集團、桃園礦、張集礦等的廣泛應用可知，礦用壓力變送器取得了良好的效果。