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智能壓力傳感器
來源:本站 點擊數:1857次 更新時間:2015-03-12 7:11:47
詳細簡紹:

 引 言

  傳統氣體壓力測量儀器的傳感器部分與數據采集系統是分離的,抗干擾的能力較差,并且通常被測對象的壓力變化較快。因此不僅要求系統具有較快的數據吞吐速率,而且要能夠適應復雜多變的工業環境,具有較好抗干擾性能、自我檢測和數據傳輸的功能。

  在此,利用FPGA具有擴展靈活,可實現片上系統(SoC),同時具有多種IP核可供使用等優點,設計了能夠控制多路模擬開關、A/D轉換、快速數據處理與傳輸、誤差校正、溫度補償的智能傳感器系統;同時將傳感器與數據采集處理控制系統集成在一起,使系統更加緊湊,提高了系統適應工業現場的能力。

  1 系統性能及元器件

  1.1 智能傳感器系統性能要求

  傳感器壓力測量范圍:0~5 MPa;系統精度:±0.1%FS;1通道模擬電壓輸入(壓力信號)大于250 sampies/通道/s;采用串行RS 232C接口輸出。

  1.2 系統主要元器件及性能

  根據系統的精度指標的要求選擇器件:

  FPGA芯片 選用Altera的CycloneⅡEP2C5,其邏輯單元有4 608個LE,26個M4K RAM塊,142個用戶I/O引腳。

  壓力傳感器 采用PDCR130W,壓力范圍0~7 MPa,工作電壓直流10~30 VDC,輸出0~10 V,精度±0.05%FS,使用溫度范圍-40~+125℃,溫度影響±0.015%FS/℃。

  溫度傳感器 采用高精度集成溫度傳感器LM335,其靈敏度為10 mV/K,精度為1℃,溫度范圍-40~+100℃。

  A/D轉換器 選擇內含采樣保持器的12位A/D轉換器AD1*,其轉換時間為10 μs,0~10 V單極輸入或±5 V雙極輸入,可并行12位輸出。

  多路模擬開關 采用四選一多路模擬開關AD7502,其引腳設置為EN=1的使能信號;A1A0引腳為通道選擇信號。

  輸出電平轉換接口 系統使用MAX232芯片完成TTL和RS 232C電平的轉換。

  2 系統誤差校正方法

  2.1 零點漂移和增益誤差的校正方法

  在智能儀表中,誤差模型的誤差校正公式為:




  式中:b1和b0為誤差校正因子。誤差校正電路模型如圖1所示,其中x為被測信號;y為系統輸出;ε,k,i為影響系統的未知量。



  誤差校正過程為:

  當S1閉合時,x=0,依據誤差校正公式得到式(2),用于系統零點校準;



  當S2閉合時,x=E(標準電壓),得到公式(3),用于系統增益誤差校正;




  聯立式(2)、式(3)可得誤差校正因子:



  當進行實際測量時S3閉合,利用計算出的誤差校正因子和誤差校正公式(1),即可求出校正后的輸出信號y。

  2.2 傳感器溫度補償方法

  對壓力傳感器來說,環境溫度對其測量結果有較大的影響,為了消除溫度引起的誤差,需要對傳感器的信號做溫度補償。通過測量傳感器的工作溫度實現傳感器溫度的補償。傳感器的溫度誤差校正模型為:



  式中:y為測量值;yc經溫度補償后的測量值;△φ為傳感器的實際工作溫度與標準測量溫度之差;a0為校正溫度變化引起的傳感器標度變化系數,a1為校正溫度引起的傳感器零位漂移變化系數,這兩個系數反映了傳感器的溫度特性。

  2.3 隨機誤差消除方法

  系統采用算術平均的數字濾波方法消除系統的隨機誤差,通過連續N個采樣值取其算術平均值,得數學表達式為:



  適合用于對具有隨機干擾信號的濾波。

  3 系統硬件結構設計

  依據系統的誤差校正和溫度補償方法,可得系統的硬件連接結構如圖2所示。圖2中模擬多路開關AD7502的4個輸入通道分別為:A1A0=00,選通S0,S0通道接地,用于零點漂移校準;A1A0=01,選通S1,S1通道接+5 V(為AD1*最大輸入電壓的50%),用于增益誤差校正;A1A0=10,選通S2,S2通道接溫度測量信號,用于傳感器的溫度補償;A1A0=11,選通S3,S3通道連接壓力測量信號。通道選通信號A0,A1由FPGA芯片中的DAS_A0和DAS_A1引腳控制。



  系統中A/D轉換器AD1*采用獨立工作模式,其控制引腳設置為:CE和12/8接高電平;CS和A0接低電平。此時,AD1*設置為12位A/D轉換,12位數據輸出,其轉換完全由R/C控制,如圖2所示。當R/C=O時,啟動12位A/D轉換;當A/D轉換結束時,狀態信號STS=0,否則STS=1;當R/C=1時,讀取12位A/D轉換數據。R/C信號由FPGA芯片的DAS_RC控制。整個系統由基于FPGA的片上系統(SoC)控制。其中,FPGA芯片中的DAS_STS,DAS_RC,DAS_IN,DAS_A引腳為用戶定制邏輯,即DAS控制單元的外部接口,用于控制AD1*的工作時序轉換和AD7502的通道選擇。

  3.1 SoC結構的實現

  SoPC設計由CPU存儲器接口、標準外設和用戶定制邏輯單元模塊等組件構成。Altera的SoPCBuilder工具提供了大量IP核可供調用,可以很方便地在單片FPGA芯片上配置嵌入NoisⅡ處理器軟核、片上RAM和RS 232控制器、擴展片外存儲器、用戶定制邏輯單元,同時自動地為系統的每個外設分配地址、連接系統總線,確定設備優先級,其內部結構如圖3所示。




  3.2 數據采集控制單元的實現

  數據采集系統(DAS)控制單元是整個系統的核心,其輸入端口及其功能:DAS_STS用于接收AD1*的STS狀態信號;DAS_IN(12位)用于接收AD1*并行12位轉換輸出;CLK,RST用作系統時鐘和RESET的信號。輸出端口DAS_RC接AD1*的R/C端,用以控制A/D轉換器的啟動和讀數;DAS_A用作控制AD7502的A1A0通道選通信號;DAS_OUT(加通道的序號為16位)用作DAS控制單元的16位輸出數據。

  DAS控制單元的有限狀態機(FSM)有4個狀態,分別為St0,St1,St2,St3。St0為選擇通道,啟動A/D轉換,進入St1狀態;St1為等待轉換結束,若轉換結束,進入St2狀態,否則保持在St1狀態;St2為發出讀數據信號,進入St3狀態;St3為輸出轉換數據;選擇其他通道,返回St0狀態。DAS控制單元采用VHDL語言進行開發,程序的部分代碼如下所示:




  DAS控制單元的仿真如圖4所示。圖中顯示控制單元運行正確。




  3.3 智能傳感器系統軟件工作流程

  系統中誤差校正和溫度補償由系統軟件控制完成。系統軟件由SoPC Builder工具中的軟件開發工具(SDK)進行開發。系統軟件流程如圖5所示。




  系統上電初始化并啟動DAS控制單元,選通每個通道并消除每個通道的隨機誤差;然后根據校正過的0通道和1通道的數值,實時計算出誤差校正因子,依據誤差校正公式(1)實時校正零點漂移校準和增益誤差,再根據測量得到傳感器的工作溫度,計算與標準溫度的差值,通過查表獲得傳感器溫度變化系數,最后依據溫度補償公式(5)校正測量壓力數據,并將數據輸出。

  4 結 語

  在系統的設計過程中,充分利用FPGA構建系統靈活,軟、硬件開發相結合的特點,在滿足系統性能的基礎上,合理分配軟硬件功能,簡化系統設計。FPGA把過去由分立芯片實現的系統放在單個芯片中,這種單片系統的設計,大大提高了系統的穩定性和可靠性,同時提高了系統抗工業現場干擾的能力。


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