智能傳感器系統(tǒng)性能要求及溫度補(bǔ)償方法

常規(guī)氣壓測量儀的傳感器部分與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分離，抗干擾能力差，常被測物體壓力變化快。所以，系統(tǒng)不僅要求數(shù)據(jù)吞吐速度快，而且要適應(yīng)復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境，具有良好的抗干擾能力，自我檢測和數(shù)據(jù)傳輸能力。

利用擴(kuò)展靈活性，可實(shí)現(xiàn)單片系統(tǒng)(SoC)，同時(shí)具有多種IP核可使用等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了能控制多模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換、快速數(shù)據(jù)處理和傳輸、誤差校正、溫度補(bǔ)償?shù)闹悄軅鞲衅飨到y(tǒng)，將傳感器與數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)相結(jié)合，使系統(tǒng)更緊湊，提高系統(tǒng)適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的能力。

1系統(tǒng)性能和組件。

1.1智能傳感器系統(tǒng)的性能要求。

感應(yīng)器壓力測量范圍：0~5MPa系統(tǒng)精度：±0.1%FS1通道模擬電壓輸入(壓力信號(hào))250sampies/通道/s以上串行RS232C接口輸出。

1.2系統(tǒng)的主要部件和性能。

根據(jù)系統(tǒng)精度指標(biāo)的要求選擇設(shè)備。

該芯片選用了Altera的CycloneⅡEP2C5，其邏輯單元有4608個(gè)LE,26個(gè)M4KRAM塊，142個(gè)I/O引腳。

PDCR130W，壓力范圍0~7兆帕，工作電壓DC10~30伏，輸出0~10伏，精度0.05%FS，使用溫度范圍-40~+125℃，溫度影響0.015%FS/℃。

LM35采用高精度集成溫度傳感器，靈敏度10mV/K，精度1℃，溫度范圍-40~+100℃。

A/D轉(zhuǎn)換器選擇樣品保持器的12位A/D轉(zhuǎn)換器AD1674，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs、0~10V單極輸入或±5V雙極輸入，可以并行輸出12位。

多路模擬開關(guān)采用四路模擬開關(guān)AD7502，其引腳設(shè)置為EN=1的能源信號(hào)A1A0引腳為通道選擇信號(hào)。

輸出平轉(zhuǎn)換接口系統(tǒng)使用MAX232芯片完成TTL和RS232C平轉(zhuǎn)換。

二是系統(tǒng)誤差校正方法。

2.1零點(diǎn)漂移和增益誤差的校正方法。

在智能儀器中，誤差模型的誤差校正如下。

公式：b1和b0是誤差校正因素。圖1顯示了誤差校正回路模型，其中x為測量信號(hào)的y為系統(tǒng)輸出，k為影響系統(tǒng)的未知數(shù)量。

誤差校正過程如下:

S1關(guān)閉時(shí)，x=0根據(jù)誤差校正公式獲取公式(2)，用于系統(tǒng)零點(diǎn)校正。

當(dāng)S2關(guān)閉時(shí)，x=E(標(biāo)準(zhǔn)電壓)獲公式(3)用于校正系統(tǒng)增益誤差。

聯(lián)合式(2)、式(3)可獲得誤差校正因素。

實(shí)際測量時(shí)，S3關(guān)閉，使用計(jì)算的誤差校正因子和誤差校正公式(1)，可以要求校正后的輸出信號(hào)y。重新設(shè)置圖像尺寸，以防止損壞表{varw=$(Id).widthvarm=650if(w)。

2.傳感器溫度補(bǔ)償方法。

環(huán)境溫度對測量結(jié)果的影響很大，為了消除溫度引起的誤差，需要對傳感器信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過測量傳感器的工作溫度來補(bǔ)償傳感器的溫度。傳感器的溫度誤差校正模型如下。

在公式中:y是測量值yc通過溫度補(bǔ)償后的測量值△φ是傳感器實(shí)際工作溫度與標(biāo)準(zhǔn)測量溫度的差異a0是校正溫度變化引起的傳感器標(biāo)準(zhǔn)變化系數(shù)，a1是校正溫度引起的傳感器零位移變化系數(shù)，反映了傳感器的溫度特性。

2.3消除隨機(jī)誤差的方法。

該系統(tǒng)采用算術(shù)平均數(shù)字過濾法消除系統(tǒng)隨機(jī)誤差，連續(xù)n個(gè)取樣值取算術(shù)平均值，數(shù)學(xué)表現(xiàn)如下。

適用于帶有隨機(jī)干擾信號(hào)的濾波器。

三是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)系統(tǒng)誤差校正和溫度補(bǔ)償方法，系統(tǒng)硬件連接結(jié)構(gòu)。模擬多路開關(guān)AD7502的4個(gè)輸入通道為A1A0=00，選擇S0，S0通道接地，用于零漂移校準(zhǔn)；A1A0=01，選擇S1，S1通道+5V(AD1674最大輸入電壓的50%)，用于增益誤差校正；A1A0=10，選擇S2，S2通道連接溫度測量信號(hào)，用于傳感器的溫度補(bǔ)償；A1A0=11，選擇S3，S3通道連接壓力測量信號(hào)。通道選擇通信號(hào)A0，A1由芯片中的DAS_A0和DAS_A1引腳控制。

A/D轉(zhuǎn)換器AD1674在系統(tǒng)中采用獨(dú)立的工作模式，其控制引腳設(shè)置為CE和12/8連接高電平的CS和A0連接低電平。此時(shí)，AD1674設(shè)置為12位A/D轉(zhuǎn)換，12位數(shù)據(jù)輸出，其轉(zhuǎn)換完全由R/C控制，如圖2所示。當(dāng)R/C=O時(shí)，啟動(dòng)12位A/D轉(zhuǎn)換；當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，狀態(tài)信號(hào)STS=0；否則，STS=1；當(dāng)R/C=1時(shí)，讀取12位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。R/C信號(hào)由FPGA芯片的DAS_RC控制。整個(gè)系統(tǒng)由基于FPGA的片上系統(tǒng)(SoC)控制。FPGA芯片中的DAS_S、DAS_RC、DAS_IN、DAS_AS_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ADA1674的工作時(shí)序轉(zhuǎn)換和AD7502的通道選擇。

3.1實(shí)現(xiàn)SoC結(jié)構(gòu)。

SoPC設(shè)計(jì)由CPU、內(nèi)存界面、標(biāo)準(zhǔn)外部設(shè)置和用戶定制邏輯單元模塊組成。Altera的SoPCBuilder工具提供了大量的IP核調(diào)用，可以簡單地將Noisiii處理器的軟核嵌入單片F(xiàn)PGA芯片單片RAM和RS232控制器擴(kuò)展單片外存，用戶可以自動(dòng)定制邏輯單元

3.2實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制單元。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其輸入端口及其功能:DAS_STS用于接收AD1674的STS狀態(tài)信號(hào)；DAS_IN(12位)用于接收AD1674并行12位轉(zhuǎn)換輸出；CLK、RST用于系統(tǒng)鐘表和RESET信號(hào)。輸出端口DAS_RC連接AD1674的R/C端用于控制A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)和讀取數(shù)量的DAS_A用于控制AD7502的A1A0通道選擇信號(hào)的DAS_OUT(加通道編號(hào)為16位)作為DAS控制單元的16位輸出數(shù)據(jù)。

DAS控制單元有限狀態(tài)機(jī)（FSM）有四種狀態(tài)，即St0、St1、St2、St3。St0是選擇通道，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)入St1狀態(tài)的St1等待轉(zhuǎn)換結(jié)束。如果轉(zhuǎn)換結(jié)束，進(jìn)入St2狀態(tài)，則保持在St1狀態(tài)；St2是發(fā)出閱讀數(shù)據(jù)信號(hào)，進(jìn)入St3狀態(tài)；St3是輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；選擇其他渠道，返回St0狀態(tài)。

3.3智能傳感器系統(tǒng)軟件的工作流程。

系統(tǒng)中的誤差校正和溫度補(bǔ)償由系統(tǒng)軟件控制。系統(tǒng)軟件由SoPCBuilder工具中的軟件開發(fā)工具(SDK)開發(fā)。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

系統(tǒng)通電初始化啟動(dòng)DAS控制單元，選擇每個(gè)通道，消除每個(gè)通道的隨機(jī)誤差，然后根據(jù)校正的0通道和1通道的數(shù)值，實(shí)時(shí)計(jì)算誤差校正因子，根據(jù)誤差校正公式（1）實(shí)時(shí)校正零點(diǎn)漂移校正和增益誤差，通過測量獲得傳感器的工作溫度，計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)溫度的差異，通過檢測表獲得傳感器的溫度變化系數(shù)，最后根據(jù)溫度補(bǔ)償公式（5）校正測量壓力數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)。

四個(gè)結(jié)論。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，充分利用FPGA構(gòu)建系統(tǒng)靈活、軟硬件開發(fā)相結(jié)合的特點(diǎn)，在滿足系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，合理分配軟硬件功能，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。FPGA將以往單芯片實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)放入單芯片中，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高了系統(tǒng)對工業(yè)廠房干擾的抵抗力。

深圳市力準(zhǔn)傳感技術(shù)有限公司是專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)高品質(zhì)、高精度力值測量傳感器的廠家。主要產(chǎn)品有微型壓式傳感器、拉壓式柱式傳感器、螺桿拉壓式傳感器、S型拉壓力傳感器、軸銷傳感器、稱重測力傳感器、多維力傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器、壓力變送器、液壓傳感器、變送器/放大器、控制儀表、以及手持儀等力控產(chǎn)品達(dá)千余種，并已獲得多項(xiàng)國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新、新品研發(fā)能力強(qiáng)。產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于多種新型和智能化高端領(lǐng)域，包括工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、3C、新能源、機(jī)器人、機(jī)械制造、醫(yī)療、紡織、汽車、冶金以及交通等領(lǐng)域。

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