硅压阻式压力传感器智能校准系统设计

沈金鑫，夏　静

(南京理工大学机械工程学院，江苏南京　210094)

0　引言

硅压阻式压力传感器具有体积小、精度高、灵敏度高、可靠性高等优点，广泛应用于航天航空、石油化工等场合的压力测量。但是由于非线性、零点热漂移、温度灵敏度漂移等影响，极大地限制了硅压阻式压力传感器的应用。

非线性和温度补偿方式分为硬件补偿[1-3]和软件补偿，由于硬件补偿的成本较高，为了修正非线性和温度漂移的影响，文中提出了一种基于C8051F350[4]的硅压阻式压力传感器智能校准系统，利用多项式拟合方法，对非线性和温度漂移进行修正。

1　概述

硅压阻式压力传感器智能校准系统是基于C8051F350单片机的传感器输出线性化和温度补偿的校准模块，可应用于各种传感器输出电压非线性和温度漂移的修正与补偿，采用上、下位机的方式构建智能校准系统，上、下位机通过RS485总线按照制定的通讯协议进行通信、数据传输及下载修正系数。智能校准系统总体框图如图1所示。

图1　智能校准系统总体框图

工作原理：在上位机上发送数据采集命令，下位机接收并分析上位机发送的命令，完成压力和温度的采集与处理，并将数据传输至上位机，上位机对下位机采集的压力信号和温度通过规范化多项式拟合，计算得到拟合系数并发送至下位机，下位机将其保存片内存储器内作为传感器的修正系数。

2　信号采集装置设计

信号采集装置由信号放大电路、A/D转换及主控制器、温度传感器、通讯接口和电源电路组成，主要完成传感器压力信号和环境温度的采集、处理和传输。信号采集装置电路图如2所示。

2．1信号放大电路

由于传感器输出的模拟信号一般比较微弱，需要将信号放大至A/D转换范围内，以进行传感器数据的采集。

C8051F350片内具有可编程增益放大器(PGA)，可对ADC输入进行放大，可设置的放大倍数为1、2、4、8、16、32、64和128。由于压力传感器一般为2 mV/V，桥压为10 V时，满量程输出电压为20 mV，设置PGA放大倍数为8。

2．2A/D转换及主控制器

C8051F350是混合信号系统级芯片(SOC)，具有CIP-51微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容；机器周期由标准的12个系统时钟降为1个系统时钟周期，处理速度大大提高，峰值速度可达50 MIPS。片资源有24位Σ-Δ型ADC、电压基准、UART0、SPI、SMBus等。

图2　信号采集装置电路图

上信号采集装置利用C8051F350片上24位Σ-Δ型ADC来实现模拟信号的A/D转换，使用内部+2.5 V参考电压。为了获得较高的转换精度和稳定性，当需要进行A/D转换时，切换至内部时钟，并使用SINC3滤波器，ADC0调制时钟MDCLK为2.457 6 MHz，抽取比为1 920，转换速率为10 Hz．由于片内+2.5 V基准的稳定性高、精度较低，需要使用高精度万用表对A/D转换进行校准。

2．3温度传感器

对温度漂移进行补偿的时候，需要测量传感器所处环境的温度值并传输至上位机；当完成校准之后，也要测量温度以修正压力传感器的输出值；温度的测量采用集成数字温度传感器DS18B20实现。

DS18B20为数字式温度传感器，运用单总线方式通讯，测温范围-55～+125 ℃，可编程分辨率达到0.062 5 ℃。

2．4通讯接口[6]

RS485总线采用平衡驱动器和差分接收器的方式进行数据传输，具有抗共模干扰能力强，抗噪声干扰性好的特点。

信号采集装置采用RS485总线进行通信和数据传输，通过通讯接口接收命令，完成相应的数据操作，再通过通讯接口将采集数据传输至上位机或其他设备。

2．5电源电路

信号采集装置采用可充电锂电池或直流电源供电，电源电路给装置内各个模块的元件器提供工作电压。信号采集装置选用低工作电压的芯片，整个装置需要+5 V和+3.3 V电压，降低了信号采集装置的功耗，提高了可靠性和抗干扰能力，电源芯片采用LM1117DTX-5．0和LM1117DTX-3．3。

3　智能校准系统软件设计

3．1下位机程序设计

采用Silicon Laboratories公司的集成开发环境为开发平台，使用图形化配置软件对各个模块进行配置。程序流程图如图3所示，包括主程序、数据采集及处理、数据传输、串口中断等部分。

图3　下位机程序流程图

串口中断中对接收到的数据进行分析，如果是有效的操作命令，则置位相应的标志位并传递至主程序中，在主程序中实现相应的操作命令，完成后清除标志位。

下位机的有效命令分为校准命令和读取命令，校准命令分为压力采集、温度采集和下载修正系数，读取命令即为输出经过修正之后的当前压力值。

3．2上位机软件设计[7]

LabVIEW的函数库中提供了串口通讯函数，可用来设计下位机与PC机的串口通讯。定义通讯协议如下：密码字+接收方地址+发送方地址+命令字+数据帧长+数据域+结束字，波特率：9 600，数据位：8，停止位：1，无奇偶校验。

上位机工作流程：首先上位机向下位机发送数据采集命令，然后等待下位机采集并上传数据，接着上位机从串口中读取下位机上传的数据，并返回主程序继续执行。串口通讯程序框图如图4所示，规范化多项式拟合程序框图如图5所示。

图4　串口通讯程序框图

图5　规范化多项式拟合程序框图

4　试验及分析

试验以某型号硅压阻式压力传感器零点热漂移修正为例，分别测量-5～80 ℃传感器的输出电压，得到热漂移拟合方程为U0(T)=-3.540 46+0.028 68T-0.000 81T2+0.000 14T3，零点热漂移的拟合曲线如图6所示。

图6　零点热漂移拟合曲线图

表1列出了零点热漂移修正后传感器零点电压与标准值之间的误差，由表可知，在0～50 ℃之间，零点热漂移修正误差仅为5%

5　结论

该传感器智能校准系统，充分利用C8051F350片内24位Σ-Δ型ADC，实现压力信号的高精度采集，使用数字式温度传感器DS18B20测量温度，使得电路板小巧、轻便，可应用于成本低、体积小的场合。经过调试与试验，其压力和温度的采集精度以及数据传输均达到设计要求，可满足压力传感器修正的需要，并可应用于其他传感器的温度补偿。

表1　拟合误差分析

参考文献：

[1]闫超，李宗醒，毛超民，等．硅压阻式传感器智能数字补偿系统．仪表技术与传感器，2010(11)：10-12．

[2]蒋小燕，徐大诚，杨成，等．硅压阻式压力传感器非线性误差校正方法．传感器与微系统，2006(1)：76-78．

[3]郭明威，朱家海．压阻式压力传感器温度误差的数字补偿技术．仪表技术与传感器，2008(5)：76-77．

[4]SiliconLaboratories．C8051F350Datasheet，www．xinhualong．com，2005．

[5]袁智荣，郭和平．硅压阻式压力传感器的现场可编程自动补偿技术．传感器与微系统，2008(11)：72-73．

[6]潘浩，李洪彪，张朝晖．一种基于RS485总线的远程数据通信系统．仪器仪表学报，2003，24(4)：467-468．

[7]张尔利，刘学军，刘存香，等．基于虚拟仪器的压阻式压力传感器校准系统的设计开发．制造业自动化，2009(7)：66-68．

[9]刘新月，吕增良，孙以材．压力传感器温度漂移补偿的控制电路设计．传感技术学报，2007(3)：567-569．

[10]李安．基于硅压阻式压力传感器的TPMS无线传感器节点设计．传感技术学报，2011(2)：220-226．

[11]胡辽林，刘晨，盖广洪．硅压阻传感器的智能温度补偿研究．传感技术学报，2012(4)：468-471．