智能傳感器系統性能要求及溫度補償方法

常規氣壓測量儀的傳感器部分與數據采集系統分離，抗干擾能力差，常被測物體壓力變化快。所以，系統不僅要求數據吞吐速度快，而且要適應復雜多變的工業環境，具有良好的抗干擾能力，自我檢測和數據傳輸能力。

利用擴展靈活性，可實現單片系統(SoC)，同時具有多種IP核可使用等優點，設計了能控制多模擬開關、A/D轉換、快速數據處理和傳輸、誤差校正、溫度補償的智能傳感器系統，將傳感器與數據采集處理控制系統相結合，使系統更緊湊，提高系統適應工業現場的能力。

1系統性能和組件。

1.1智能傳感器系統的性能要求。

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

1.2系統的主要部件和性能。

根據系統精度指標的要求選擇設備。

該芯片選用了Altera的CycloneⅡEP2C5，其邏輯單元有4608個LE,26個M4KRAM塊，142個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轉換器選擇樣品保持器的12位A/D轉換器AD1674，轉換時間為10μs、0~10V單極輸入或±5V雙極輸入，可以并行輸出12位。

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

輸出平轉換接口系統使用MAX232芯片完成TTL和RS232C平轉換。

二是系統誤差校正方法。

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為測量信號的y為系統輸出，k為影響系統的未知數量。

誤差校正過程如下:

S1關閉時，x=0根據誤差校正公式獲取公式(2)，用于系統零點校正。

當S2關閉時，x=E(標準電壓)獲公式(3)用于校正系統增益誤差。

聯合式(2)、式(3)可獲得誤差校正因素。

實際測量時，S3關閉，使用計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y。重新設置圖像尺寸，以防止損壞表{varw=$(Id).widthvarm=650if(w)。

2.傳感器溫度補償方法。

環境溫度對測量結果的影響很大，為了消除溫度引起的誤差，需要對傳感器信號進行溫度補償。通過測量傳感器的工作溫度來補償傳感器的溫度。傳感器的溫度誤差校正模型如下。

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

2.3消除隨機誤差的方法。

該系統采用算術平均數字過濾法消除系統隨機誤差，連續n個取樣值取算術平均值，數學表現如下。

適用于帶有隨機干擾信號的濾波器。

三是系統硬件結構設計。

根據系統誤差校正和溫度補償方法，系統硬件連接結構。模擬多路開關AD7502的4個輸入通道為A1A0=00，選擇S0，S0通道接地，用于零漂移校準；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，用于傳感器的溫度補償；A1A0=11，選擇S3，S3通道連接壓力測量信號。通道選擇通信號A0，A1由芯片中的DAS_A0和DAS_A1引腳控制。

A/D轉換器AD1674在系統中采用獨立的工作模式，其控制引腳設置為CE和12/8連接高電平的CS和A0連接低電平。此時，AD1674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。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的工作時序轉換和AD7502的通道選擇。

3.1實現SoC結構。

SoPC設計由CPU、內存界面、標準外部設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核調用，可以簡單地將Noisiii處理器的軟核嵌入單片FPGA芯片單片RAM和RS232控制器擴展單片外存，用戶可以自動定制邏輯單元

3.2實現數據采集控制單元。

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AD1674的STS狀態信號；DAS_IN(12位)用于接收AD1674并行12位轉換輸出；CLK、RST用于系統鐘表和RESET信號。輸出端口DAS_RC連接AD1674的R/C端用于控制A/D轉換器的啟動和讀取數量的DAS_A用于控制AD7502的A1A0通道選擇信號的DAS_OUT(加通道編號為16位)作為DAS控制單元的16位輸出數據。

DAS控制單元有限狀態機（FSM）有四種狀態，即St0、St1、St2、St3。St0是選擇通道，啟動A/D轉換，進入St1狀態的St1等待轉換結束。如果轉換結束，進入St2狀態，則保持在St1狀態；St2是發出閱讀數據信號，進入St3狀態；St3是輸出轉換數據；選擇其他渠道，返回St0狀態。

3.3智能傳感器系統軟件的工作流程。

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

系統通電初始化啟動DAS控制單元，選擇每個通道，消除每個通道的隨機誤差，然后根據校正的0通道和1通道的數值，實時計算誤差校正因子，根據誤差校正公式（1）實時校正零點漂移校正和增益誤差，通過測量獲得傳感器的工作溫度，計算與標準溫度的差異，通過檢測表獲得傳感器的溫度變化系數，最后根據溫度補償公式（5）校正測量壓力數據，輸出數據。

四個結論。

在系統設計過程中，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將以往單芯片實現的系統放入單芯片中，大大提高了系統的穩定性和可靠性，提高了系統對工業廠房干擾的抵抗力。

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