0 引言

船舶主机运行中有大量的压力参数需要实时监测，如主机滑油压力、燃油压力、淡水压力、海水压力、增压压力（扫气压力），启动空气压力、控制空气压力等，这些压力反映了主机运行状况，对于管理操纵主机十分重要。目前压力参数监测技术日趋完善，压力变送器绝大部分采用二线制4～20mA电流型。此种传感器工作稳定，线路简单，工作电源与输出电流共用2线，故称二线制。此类压力测量系统中，电路测量部分是一组DC5V电源，压力传感器供电又是另一组DC24V电源，两组电源共地。这样监测电路与传感器之间没有智能差压变送器，一旦传感器内部故障或外部线路故障（如接地、绝缘下降等），会立即影响监测电路及系统的工作，严重时会造成监测系统损坏。为了提高系统可靠性，防止外部局部故障造成更大的系统故障，有必要在压力传感器与监测电路之间进行电气全隔离。

 

1 主机压力参数确定

以某船主机为例，主机型号为 18V390 二冲程增压中冷大功率中速柴油机，包含主机滑油压力、启动空气压力等 12 个压力参数，这些压力测点均采用 4～20 mA 二线制压力变送器。

 

2 压力采集系统硬件设计

2.1 硬件框图

压力参数监测系统硬件组成见图 1。

 

对图 1 中的符号说明如下：

1—带故障保护的 8 路电子模拟开关

2—隔离放大器 ISO122P（输入级）

3—隔离放大器 ISO122P（输出级）

4—光电耦合器 TLP521-4 

5—缓冲放大器 2062 

6—A/D 转换器 TLC1549 

7—单片机 AT89S52 

8—RS485 通讯接口 MAX483。

2.2 原理图设计

根据该主机压力参数采集要求，设计的原理图见图 2。

2.3 电路原理分析

2.3.1 压力采集电路

由图 2 可见，外部压力变送器 4～20 mA 电流经 100? 电阻后，形成 0.4～2.0 V 电压，输入到 MAX354 芯片的 8 路模拟多路器输入端，由CPU 控制其选中某一通道接通至输出端。MAX354 是带故障保护的单端 8 通道多路器（多路模拟电子开关），由于输入通道采用了 N 沟道、P 沟道、N 沟道结构，使其具有非常优秀的性能：

 

1）当供电电源全部断开时，其通道全部断开

2）如果发生过压，接通的通道会转为断开，能够承受连续±35V的过电压

3）在故障条件下，输入电流只有纳安级

4）工作电源可自±4.5V至±18V

5）数字量输入电平都与TTL兼容2.3.2模拟信号隔离放大及缓冲电路ISO122P是一款性能优良的隔离放大器，输入模拟电压信号与输出模拟电压信号全部智能差压变送器。输入级与输出级分别独立±5V电源供电，其隔离电压高达500V，满足工业领域的强干扰场合，其隔离放大比为1。2062是高输入阻抗和低输出阻抗的运算放大器，作为缓冲放大器，将输入信号进行1:1放大，提高信号输出能力。

2.3.3数字控制隔离电路为了保证模拟信号与数字信号全隔离，其数字电路部分采用了TLP521-4型4路光电耦合器，由CPU的4条数字控制信号，经TLP521-4隔离后控制MAX354多路器的通道选择。

2.3.4A/D转换电路TLC1549是10位模数转换器。它采用CMOS工艺，具有内在的采集和保持，采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到±1LSB。

 

 

其工作参数如下：

1）电源电压：+5V

2）输入电压范围：-0.3～VCC+0.3V

3）正基准电压：2.5V

4）输入较大电压：2.5V

5）10位分辨率，满量程值1024D

 

2.3.5CPU电路

CPU采用常见的INTEL系列的8051单片机，具体选型为AT89S52，其基本特性如下：

1）8位CPU

2）256B片内RAM

3）8KB片内EPRAM

4）32根双向I/O口

5）3个16位定时日/计数器

6）5个具有优先级别的中断源

7）全双工异步通信

8）128kB外部程序和数据存储器

9）256个位寻址单元

10）基本指令执行时间1?s

2.3.6数据通讯电路

为了将采集的压力数据进行远程传输，系统采用MAX483作为数据传送芯片，其特点如下：

1）传输协议：RS485（二线）

2）用于无误差数据传送的限斜率

3）-7V～+12V普通输入电压范围

4）三态输出

5）全双工和半双工模式可选择

6）工作电源为单一+5V

7）总线可接128个收发器

8）限流和热敏控制电路为驱动提供过载保护

 

2.3.7电源电路

由于智能差压变送器的需要，本系统设置了3组互相独立的电源，一组DC24V/DC±5V电源供CPU及其辅助电路，一组DC24V/DC±5V供隔离放大器（ISO122P）和压力采集通道多路转换器（MAX354），一组电源DC24V/DC24V供电压力变送器，三组电源输入均由舰电DC24V提供。单片机、传感器、MAX354供电完全隔离。

 

2.3.8压力采集过程分析

隔离的DC24V（+24VS）电源正极经压力传感器正极后，再由传感器负极经采集电路上100?电阻到DC24V负级，形成完整回路。并在100?电阻上形成0.4～2.0V电压（对应4～20mA电流），此电压对应相应的压力，经MAX354带故障保护的电子模拟开关后，进入ISO122P隔离放大器，此放大器输入与输出电气完全隔离，输入独立一组工作电源，输出独立一组工作电源，其隔离电压高达500V，放大倍数1:1。ISO122隔离放大后，输出到2062缓冲放大器，再输入到TLC1549A/D转换器，将电压模拟信号转换成10位数字信号。由TLC1549三线串口与89S52单片机进行交换数据，89S52（CPU）收到此串行数据，经综合处理后，再经MAX483芯片的RS485通讯接口将数据送往上位机。

上述是单通道的采集工作流程，要采集多通道，则由单片机通过P2.0～P2.3发出通道切换指令，经74LS244驱动，TLP521-4光电隔离后，驱动器MAX354切换采集通道。

 

3抗干扰故障保护分析

3.1传感器等外部故障保护

MAX354不论电源+V和-V是否加上，都能对高达±35V的连续输入电压提供完全的故障保护。这些器件使用一个“串联FET”保护方式，这种方式不仅对多路器输出端进行过电压保护，而且把输入电流限制到低于微安级。

图3和图4说明串联FET电路是如何对过压情况进行保护的。当电源是关断时，三个FET的“门”端是接地的。如有一-25V输入，N沟道FETQ1由于+25V的“门至源”电源VGS而导通。而P沟道器件（Q2）则由于有+25V的VGS而关断，这样就避免了输入信号达到输出端。如果输入电压是+25V，则Q1有一负的VGS而关断。同样地，由于任何电压都会使Q1或Q2关断，因而由输础端回流到输入端的漏电流也是低于微安级的。

 

 

图 5 示出了当+V 和-V 存在时，一个关断通道的情况。如同图 8 和 9，对任何从-35 V 到+35 V的输入电压总有一个N沟道的或是一个P沟道的器件产关断的。在25℃时，负的过压所引起的漏电流将立即跌落到几个纳安（nA）。对正的过压，一开始将有10或20?A，在几秒以后也将衰减到纳安级。这个衰减的时常数是由于内部节点所贮存的电荷入电而引起，它不影响故障保护方案。

 

 

图6示出了当+V（+5V）和–V（-5V）存在时，一个接通通道的情况。当输入电压小于±5V，所有三个FET都接通而输入信号出现在输出端。如果输入电压超过+V减去N沟道的门限电压（VTN）则N沟道FET将关断。对更负于–V减去P沟道的门限（VTP）的电压，P沟道器件将关断。由于VTN的典型值是1.5V而VTP的典型值是3V，因而电子模拟开关的输出电压范围被限制在约-2V至+3.5V间（对电源电压为±5V时）。

 

 

从原理图 2 和图 7 可看出，系统的智能差压变送器原理。电路上分成电气完全隔离的三个部分，一是在舰电输入DC24V电源，二是CPU及其外围电路的DC5V电源，三是传感器DC24V电源、模拟开关、隔离放大器初级的DC5V电源。这三部分电气上完全隔离，电源部分由DC/DC转换后隔离，外部传感器由光电耦合器和隔离放大器与CPU的电路在电气上完全隔离，光耦与隔离放大器初级和次级能经受500V以上电压冲击。

由此可知，DC24V及其地线干扰、外部传感器故障及其线路和地线干扰均不能产生对核心CPU及其电路的干扰和影响，保证压力测量系统的可靠稳定工作，并对外部故障进行彻底隔离，外部出现故障不会影响CPU监测电路的工作，也不会造成CPU及其后续电路的故障。

 

4 软件设计

本系统软件用 8051 汇编语言完成

程序主流程图如图 8 所示。

 

 

为了提高设备的可靠性，程序上采用数字滤波技术，对压力进行连续多次采样，过滤掉离散性大的数据，并对多次采样数据取平均值。以避免因外界干扰，造成压力数据的跳动。

通道故障判断基本原理，当外部出现故障时，如传感器断线等外部原因造成输入过压，此时MAX354对应的通道N沟道、P沟道、N沟道全部关断，则采集该通道电压值为0V，正常应为0.4～2.0V电压，依据此0V电压可判断该通道有故障。

 

标度变换程序，对于所有压力范围的对应电压均为 0.4～2.0 V 对管理者应直观显示实际压力值，则由标度变换程序完成，以 1.0 MPa 压力变送器为例，其变换公式为显示值=（采集值-0.4 V 电压值）×819.2/1000

 

5 结论

本文阐述了智能差压变送器及其故障保护技术，应用于船舶主机压力监测的工作原理和设计过程，此技术方法已在多艘舰船上应用。使用运行效果十分稳定，未出现故障，有效提高了监测系统的可靠性。此技术可显著提高工业环境下监测系统的抗干扰、抗故障能力，可广泛应用于船舶机舱恶劣环境下的监测与控制。