Tutorial sobre cómo implementar un Transmisor de Presión con MCU de Holtek
En este tutorial, veremos cómo podemos implementar un transmisor de presión haciendo uso de los MCUs de Holtek. Esta solución utiliza como elemento central el MCU BH66F5242, con un ADC de 24bits integrado, mientras que usa el driver LCD del modelo HT1622.
Tabla de Contenidos
1. Introducción
El transmisor de presión es un instrumento que convierte las mediciones de presión en señales de salida normalizadas que pueden transmitirse. Se utiliza principalmente para medir y controlar parámetros de presión en procesos industriales. Las señales de salida normalizadas comunes incluyen señales de corriente de 4~20mA que tienen una relación lineal con la presión, señales de tensión de 0~5V/0~10V, señales de salida digital RS485, etc.
El transmisor de presión de Holtek utiliza un diseño de dos placas, una placa de visualización y una placa maestra. La placa de visualización utiliza el controlador LCD HT1622 para controlar la pantalla LCD y comunicarse con la placa maestra. La placa maestra utiliza una MCU dedicada a la medición de señales, la BH66F5242, como MCU maestra. El dispositivo incluye un ADC de 24 bits altamente integrado, un LDO, un OPA, un DAC de 12 bits y un PTM de 16 bits. Estas funciones se utilizan para medir y muestrear el sensor de presión de silicio difuso, para implementar la conducción de corriente constante y la transmisión de señal de 4~20mA. El uso de esta solución MCU sólo requiere un circuito periférico muy simple para implementar una función completa de transmisor de presión.
Puede consultar las especificaciones de estos dos componentes en los siguientes enlaces (HT1622v270 y BH66F5242v131).
Figura 1. Diagrama de Bloques del Sistema
2. Características de la solución
- Circuitos de aplicación reducidos: Utiliza una MCU altamente integrada, que incluye un ADC de 24 bits, LDO, OPA, DAC de 12 bits, PTM de 16 bits y EEPROM integrados.
El BH66F5242 es una MCU dedicada a la medición, que incluye un ADC Delta-Sigma de 24 bits altamente integrado, LDO, OPA, DAC de 12 bits y PTM de 16 bits. El dispositivo puede implementar funciones como la medición y el muestreo del sensor de presión de silicio difuso, la conducción de corriente constante y la transmisión de señales de 4~20mA. La EEPROM True interna de 64 bytes se utiliza para almacenar valores de calibración y datos de configuración. El módulo USIM (UART/SPI/I2C) también puede utilizarse en otros módulos funcionales como la implementación de otros métodos de transmisión. - Inmunidad EMI, buena consistencia: El MCU 24-bit ADC tiene un filtro EMI integrado, que puede resistir interferencias EMI.
El MCU 24-bit ADC incluye un filtro EMI interno. Por lo tanto, requiere pocos componentes periféricos y tiene buena consistencia.
3. Principios de funcionamiento
Según sus diferentes principios de conversión, los transmisores de presión pueden dividirse en tipo equilibrio, tipo capacitancia, tipo inductancia, tipo deformación y tipo frecuencia. El tipo de deformación es uno de los más utilizados, como el sensor de silicio difuso. Los componentes de medición de la presión generan una señal de salida que se transmite a la placa maestra del transmisor. Ésta obtendrá un valor exacto de la presión utilizando una calibración interna no lineal después del filtrado, la amplificación y el muestreo. A continuación, el valor de presión se convierte en un valor de corriente constante. Después de ser procesado por el circuito externo de corriente constante, se convierte en una señal de corriente de 4~20mA que tiene una relación lineal con la presión.
3.1 Descripción funcional
Características de la solución
- Tensión de funcionamiento: 24 V
- Sensor de presión: sensor de presión de silicio difuso
- Rango máximo: 0~10MPa
- Rango de corriente constante 4mA~20mA
- Panel de visualización: se utiliza una pantalla LCD de 5 dígitos para mostrar la información de presión
3.1.1 Función de la Solución
El hardware del producto se muestra en la siguiente figura.
Figura 2
La solución del transmisor de presión admite dos modos: Modo Normal y Modo Configuración. Tras el encendido, el transmisor de presión entra directamente en el Modo Normal para muestrear y medir la señal del sensor de presión de silicio difuso. Aquí se obtiene el valor de presión y se actualiza el valor de presión en la pantalla LCD. A continuación, se genera la corriente constante correspondiente. Una pulsación larga en la tecla SET se utiliza para entrar en el Modo de Configuración, luego se ajusta o calibra el sensor y la corriente constante utilizando las teclas SET/ADD/SUB junto con el contenido de la pantalla LCD. Las funciones de las teclas de operación se describen a continuación.
- Tecla SET: Tecla Set/Exit
- Tecla ADD: Tecla Next/ADD
- Tecla SUB: Tecla Previous/SUB
Una vez finalizada la configuración, los valores de configuración se almacenarán en una EEPROM. Para evitar modificaciones accidentales por parte del usuario, debe introducirse la contraseña correcta antes de entrar en el modo de configuración. A continuación se describen los parámetros que pueden ajustarse.
- S-PD: Ajustar la ganancia del ADC PGA
Ganancia PGA = 2valor. Por ejemplo, cuando el valor = 0, 20 = 1, la ganancia es 1. - S-DH: Ajuste el límite superior del transmisor.
El límite superior del sensor de presión. Cuando el valor de presión medido supera el límite superior, el panel LCD parpadea para indicar que el valor del sensor ha superado el límite superior. - S-DL: Ajusta el límite inferior del transmisor.
El límite inferior del sensor de presión. Cuando el valor de presión medido es inferior al límite inferior, la pantalla LCD parpadea para indicar que el valor del sensor es inferior al límite inferior. - S-CH: Calibrar el límite superior de corriente constante, que es el valor CCR en HEX cuando se calibra una corriente constante de 20mA.
Este valor se puede ajustar para ajustar el valor máximo de corriente constante. La corriente constante se ajustará a 20 mA. - S-CL: Calibrar el límite inferior de corriente constante, que es el valor CCR en HEX cuando se calibra la corriente constante de 4mA.
Este valor puede ajustarse para modificar el valor mínimo de corriente constante. La corriente constante se ajustará a 4 mA. - S-SH: Calibrar el límite superior del sensor de silicio difuso
Ajuste la presión e introduzca el valor de presión actual del sensor, el transmisor lo registrará como valor de calibración. - S-SL: Calibrar el límite inferior del sensor de silicio difuso
Ajuste la presión e introduzca el valor de presión actual del sensor, el transmisor lo almacenará como valor de calibración.
4. Descripción del diseño de la solución
La solución utiliza un diseño de dos placas, una placa de visualización y una placa maestra. La placa de visualización utiliza el controlador LCD HT1622 para comunicarse con la placa maestra y controlar la pantalla LCD. La placa maestra utiliza la MCU dedicada a la medición de señales BH66F5242 como MCU maestra. El dispositivo incluye funciones como el accionamiento del sensor, el muestreo de la señal del sensor y el procesamiento. También puede cambiar la corriente constante de 4 a 20 mA según el valor del sensor.
4.1 Descripción Hardware 
Figura 3. Diagrama esquemático de la placa de la pantalla LCD
Figura 4. Diagrama esquemático de la placa maestra
Los circuitos de hardware de la placa maestra del transmisor de presión se dividen en circuito de alimentación multicanal, circuito de accionamiento y medición del sensor de presión de silicio difuso, circuito de salida de corriente constante e interfaz de comunicación de la placa de visualización. El circuito de alimentación multicanal suministra las tensiones necesarias correspondientes a cada bloque de circuitos. El circuito de conducción de corriente constante del sensor de presión de silicio difuso está compuesto por el LDO interno BH66F5242, el OPA, el DAC de 12 bits y el circuito externo. El valor de la corriente constante puede ajustarse mediante el DAC de 12 bits integrado. El ADC Delta-Sigma de 24 bits integrado se utiliza para muestrear el sensor de presión de silicio difuso a través de los canales AN0, AN1, AN2, AN3 y AN8.
El PTM integrado de 16 bits se utiliza para ajustar el deber de salida PWM, que es procesado por un circuito de filtro RC externo y que ajusta la corriente constante utilizando un transistor. La interfaz de comunicación de la placa de visualización se conecta a la placa de visualización y utiliza comunicación SPI emulada. La placa de visualización muestra el valor de presión actual de acuerdo con los datos obtenidos. La placa de visualización incluye tres teclas, que se utilizan para cambiar entre los diferentes modos de funcionamiento y para ajustar los valores de configuración.
4.1.1 Consideraciones sobre el diseño y el hardware
Figura. 5 y Figura. 6 muestran la disposición frontal y posterior de la placa de la pantalla LCD y la placa maestra.
Figura 5. Diseño de la placa de la pantalla LCD Vista frontal y posterior
Figura 6. Vista frontal y posterior de la disposición de la PCB de la placa maestra
Hay varias consideraciones importantes sobre la placa maestra.
- El circuito necesita tener condensadores de desacoplamiento en los pines de alimentación que son VDD/VSS, AVDD/AVSS y VOREG. Cuando los pines de alimentación han sido conectados, no deben ser enrutados para su uso por otros puertos y no deben ser conectados a tierra.
- Cuando se realice el diseño del circuito de muestreo y accionamiento del sensor, las líneas de enrutamiento deben ser lo más cortas posible y mantenerse alejadas de otras señales de alta frecuencia. La tierra debe cubrir el enrutamiento para evitar interferencias de otras fuentes.
- Dado que el circuito de accionamiento de corriente constante utiliza un transistor para ajustar la corriente constante, es necesario prestar atención al calentamiento del transistor y mantenerlo alejado de los circuitos relacionados con el accionamiento del sensor y el muestreo.
4.2 Descripción Software
Figura 7. Diagrama de flujo del software Master Board
Inicialización
La MCU se inicializa por primera vez tras el encendido. Esto incluye la inicialización de funciones como el ADC de 24 bits, LDO, periféricos OPA y otras variables. A continuación se comprueba si hay información de configuración y calibración almacenada en la EEPROM. Si no es así, utiliza los valores por defecto. Finalmente entra en el bucle principal.
Bucle principal
En el bucle principal, las teclas se escanean periódicamente, se procesa el valor muestreado del sensor, se ajusta el valor de la corriente constante y se actualiza el panel de visualización. El Modo Normal y el Modo Configuración pueden conmutarse mediante una pulsación larga de la tecla SET.
Modo Normal
El sensor de presión de silicio difuso se mide utilizando el ADC de 24 bits y el valor de presión se obtiene utilizando el procesamiento de datos. Se ajusta la corriente constante y se actualiza la información de la pantalla.
Modo Configuración
Pulsando prolongadamente la tecla SET se accede al Modo Setup. Aquí se pueden configurar los valores y parámetros de calibración, que se escribirán en la EEPROM y se almacenarán una vez finalizada la configuración. Para evitar modificaciones accidentales por parte de los usuarios, sólo se puede acceder al Modo Configuración después de introducir la contraseña correcta. Cuando se ha completado la configuración de los parámetros relevantes en el Modo Configuración, si se ha pulsado prolongadamente la tecla ADD, las modificaciones no se escribirán en la EEPROM, el valor original de los parámetros sólo podrá cargarse después de volver a encender el aparato.
4.3 Descripción de las funciones de biblioteca
Se proporcionan dos funciones de biblioteca, la función de muestreo del sensor y la función de conversión del valor del sensor, que se describen a continuación.
5. Datos de la prueba
5.1 Método de medición
Para comprobar los resultados del transmisor de presión se utiliza un simulador de presión adicional y un amperímetro de alta precisión.
El simulador de presión está conectado internamente a una resistencia para simular la resistencia correspondiente de un sensor de presión de silicio difuso. Esta resistencia se ha medido y calibrado. La resistencia de corriente al valor de presión del sensor de presión puede simularse cortocircuitando la posición correspondiente con un tapón de cortocircuito.
Un amperímetro de alta precisión se conecta directamente en serie con la fuente de alimentación de 24 V CC del transmisor de presión para medir el valor de corriente constante.
Figura 8. Dispositivo de prueba de transmisores de presión
5.2 Datos de error de medición
Condiciones de ensayo: Ta=25°C, los ajustes de presión y corriente constante se muestran a continuación.
Tabla 2. Condiciones de Test
Durante el proceso de medición de la presión, el valor de presión en la resistencia de corriente del sensor de presión es el valor teórico. El error es el error de fondo de escala del valor teórico y el valor medido.
Durante el proceso de salida de corriente constante, el valor de presión medido actual se convierte en el valor teórico. La relación entre el rango de salida de corriente constante y el rango de medición de presión se utiliza para calcular el valor teórico de la corriente constante actual. El error es el error de fondo de escala del valor teórico y el valor medido.
Tabla 3. Tabla de datos de errores de medición
6. Conclusiones
Esta solución está basada en la nota de aplicación de Holtek, que puede encontrar en el siguiente enlace. Esta solución presentada en detalle muestra una solución de transmisor de presión de Holtek que utiliza el BH66F5242 como MCU maestro. El BH66F5242 es una MCU dedicada a la medición que tiene un alto nivel de integración funcional. El dispositivo incluye un ADC Delta-Sigma de 24 bits integrado (filtro EMI), LDO, OPA, DAC de 12 bits, PTM de 16 bits y EEPROM. Esto implementa fácilmente las funciones básicas que incluyen la conducción y el muestreo del sensor, la salida de corriente constante y el almacenamiento de la configuración de calibración, lo que hace que el dispositivo sea extremadamente adecuado para productos de transmisores de presión. El módulo USIM (UART/SPI/I2C) también puede ampliarse a otros módulos funcionales, como la implementación de otros métodos de transmisión.