ZSC31015在智能应变式传感器中的应用

Application of ZSC31015 in Smart Strain Sensor

缪晓中1　彭　力2

(无锡职业技术学院1，江苏 无锡　214121；江南大学物联网工程学院2，江苏 无锡　214121)

ZSC31015在智能应变式传感器中的应用

Application of ZSC31015 in Smart Strain Sensor

缪晓中1彭力2

(无锡职业技术学院1，江苏 无锡214121；江南大学物联网工程学院2，江苏 无锡214121)

摘要：针对压阻式传感器存在的温度漂移误差和输出信号非线性误差，提出采用ZSC31015传感器信号调理芯片进行误差补偿的方案。描述了传感器补偿系统的整体构架,阐述了ZSC31015的硬件结构、软件设计以及对传感器的补偿过程。试验结果表明，采用上位机补偿校准软件对传感器补偿后，输出信号在较宽的温度范围内与压力呈良好的线性关系，并具有操作效率高的优点。

关键词：ZSC31015应变式传感器温度补偿校准智能化传感器ZACwire

Abstract：To against the temperature drift error and nonlinear error of output signal existing in piezoresistive sensors,the error compensation scheme by adopting ZSX31015 signal conditioning chip is proposed. The basic framework of the sensor compensation system is described, and the hardware structure of ZSC31015, software design and the compensation process for the sensor are elaborated. The experimental results show that having been compensated by host computer compensation and calibration software, the better linear relationship between output signal and pressure in wider range is realized, and high operating efficiency is offered.

Keywords：ZSC31015Strain sensorTemperature compensationCalibrationSmarts sensorZACwire

0引言

智能化与集成化是传感器未来发展的一个重要方向。将普通传感器与专用信号调理芯片组装成一个器件实现一体化的设计，使之具备信号采集、变换、逻辑判断、计算能力，提供数字或模拟输出选择，具有与微型计算机通信的接口及在线标定与校准等功能。这类智能化传感器在压阻式传感器中应用较多，国外企业在精度、制作成本、芯片体积等方面有较大优势。德国ZMDI公司的ZSC31015传感器信号调理芯片，能很方便地实现电阻性桥式传感器的零点偏移、满量程偏移、非线性及温度漂移等的数字化校准与补偿。在Windows环境下，芯片通过ZACwire 串行接口与上位机相联，可以方便地实现大规模的校准操作[1]。

1应变式传感器的桥式测量

电阻应变式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成电阻的变化，再经过转换电路变成电信号输出。将电阻应变片粘贴在被测试件表面，在外力作用下，被测试件表面产生微小机械变形，应变片发生相同变化，其电阻也发生相应变化，而根据应力—应变关系σ=Eε，就可以得到试件应力的大小。测量时通常将敏感元件粘贴在弹性体上组成惠斯登电桥，把待测的非电量变化转换成桥路的电压变化。

从理论上来说，由于传感器对应桥臂上的电阻完全相等，在传感器不受负荷时，其输出应当为零。但实际使用中由于应变片以及粘贴工艺等方面因素的影响，致使传感器桥路上的电阻不能够完全对称，使得传感器的零点输出往往并不等于零，满量程也存在偏差。当环境温度等发生变化时，传感器上各个桥臂上的应变片电阻值变化将出现不一致，使得传感器的一致性以及性能指标等都会出现较大的变化[2]。

2传感器补偿校准系统结构

传感器校准系统主要由气瓶、数字化压力控制器、传感器补偿校准板、计算机、数字电压表以及内嵌有ZSC31015芯片的一体化传感器等几部分组成。气瓶用于提供传感器补偿校准等过程中所需的压力源；压力控制器用于精确控制输出压力的大小；补偿校准板用于计算机上安装的芯片补偿专用软件与一体化压力传感器中ZSC31015芯片的通信,实现对芯片的参数设置和补偿系数的获取；数字电压表用于对校准后传感器输出量程进行测量，判断校准是否准确，若有偏差，则重新再次校准。

若采用两点校准方法，校准过程为：首先，设置压力控制器输出零压力，同时在软件上设置对应的输出电压或电流值，下载校准；然后，设置压力控制器输出传感器满量程的压力，在软件上设置对应的电压或电流值，再次下载校准；在整个补偿校准过程中，补偿专用软件采集传感器在零点和满量程两种压力情况下的输出信号，最后根据该芯片的校准公式，分别计算该温度点下的传感器补偿系数，并将该系数自动存储在芯片内部EEPROM中。传感器校准系统框图如图1所示。

图1　传感器校准系统框图

3ZSC31015硬件结构

ZMDI公司电阻电桥传感器系列接口芯片的设计是一种高性价比的解决方案，广泛应用于楼宇自动化、汽车、办公自动化、白色家电等应用领域。其中，ZSC31015是一款适用于几乎全部压阻桥式传感器的可调传感器信号调理芯片，并具有温度补偿功能，经其测量与修正后的值以模拟电压输出，或者以单线串行数字电压输出。通过ZMD的ZACwireTM一线通信数字接口(one wire interface,OWI)，用户可使用PC机编写校准程序，将一组校准系数写入芯片内的EEPROM。校准后的ZSC31015与对应的传感器实现数字化的组合，可在无需增加外部器件的条件下进行快速的、精确的测量。ZSC3105的综合诊断功使其尤其适用于自动化方面的应用[3]。

ZSC31015内部结构图如图2所示。

图2　ZSC31015内部结构图

片上数字信号处理电路DSP 的作用是对A/D转换器输出的传感器数据进行计算处理、校准。

EEPROM中存储有修正计算用的参数(增益、偏移等)以及硬件配置参数(输出模式、数据更新率等)。

DAC电路为12位，它采用电阻串联结构，并具有比例电压与绝对电压两种输出模式,通过配置可使其工作于其中的一种模式。这种结构能很好地满足测试使用要求并且功耗低。

A/D转换电路采用一个14位/1 ms电荷充电平衡电路对预放电路输出进行A/D转换。对传感器输入信号进行反相并具有四种偏移模式供选择，这可以消除传感器输入偏移的影响。A/D 转换速率可编程[4]。

温度参考电路提供芯片内部温度补偿参考，也可以增加一个外接二极管，提供外部温度补偿参考。

两个模拟和一个数字可选择的三种输出可以在许多应用领域提供通用的输出。比例模拟电压输出信号适用于大多数楼宇自动化和汽车应用，典型的办公自动化和白色家电应用需要0 ~1 V模拟输出。图3为电压输出的典型电路。此外，配合电流变换电路[5]，还可实现工业标准的4~20 mA的电流输出，用以提高抗干扰能力[6]。

外接场效应晶体管JFET，可使用5.5~30 V电源电压供电的系统。

图3　ZSC31015应用电路

4工作模式与指令系统

4.1　ZACwireTM一线通信数字接口

ZSC31015采用了ZMD 系列产品的ZACwireTM一线通信数字接口(OWI)，这种接口将简单易用的ZACwireTM通信协议同一个廉价的共享管脚相结合。这个接口既可输出模拟电压，同时又是一个数字接口，可输入参数或输出测量结果等。相比较其他通信模式，这种模式不需要其他管脚辅助，即一线完成通信功能，而其他协议都是多线通信，如I2C是双线通信, SPI是三线通信。这样便降低了成本和复杂度。通信中微控制器是主机，可以启动通信和发送读数据指令，而ZSC31015是从机。

ZACwireTM的位格式是占空比编码，类似于曼彻斯特编码。75%的占空比代表数据1，25%的占空比代表数据0，50%的占空比代表启动(并用于设置闸门时间Tstrobe)。ZACwireTM的位格式编码如图4所示。

数据传输以字节(8位)为单位，先传最高位MSB，只有当一个开始条件结束后，才能陆续传送数据位。传送的数值取决于高电位所占位周期的比率，即占空比。例如数据0x2B的时序波形如图5所示[7]。

此外，ZMDI公司其他产品还可带有I2C、SPI总线接口，例如ZMD31050。用户可根据自己需要选择合适的芯片。

4.2　工作模式

ZSC31015采用ZACwireTM串行通信协议，通过SIGTM引脚传送指令或者数据。芯片有“NOM”普通模式、“CM” 命令模式、“RM” 原始模式三种工作模式,如图6所示。

在上电后的3 ms命令窗口时间内，等待开启命令模式指令Start_CM。若在窗口时间内没有接收到该命令，则将进入NOM工作模式。在NOM模式下，原始的电桥值被转换，经修正后以模拟或者数字形式进行输出。

如果芯片在命令窗口时间内接收到开启命令模式的指令Start_CM，那么它将保持在命令模式。在命令模式下，允许接收改变工作模式的指令。在接收原始工作模式指令Start_RM后，芯片将进入原始工作模式RM，未经修正的原始测量值按预先定义的格式以数字形式输出。原始工作模式RM通常被用于校准软件采集电桥原始数据，从而确定今后的校准系数[8]。

图6　芯片工作模式

4.3　ZACwireTM一线接口的数据包结构

① 写命令数据包结构

写命令数据包由外部的主控制器(如MCU)发送至ZSC31015。数据包有两个有效的数据字节，第1 字节为控制字(command byte)，第2 字节为数据字(data byte)。数据包以“Start Bit”作为起始位，每8 位数据字节后将有一位奇偶校验位P，奇偶校验位由8 位数据位通过异或运算产生。

② 应答数据包结构

应答数据包(ACK 包)由ZSC31015发送至外部的控制器。每次ZSC31015接收到控制命令数据包，都会在150 ms 内返回ACK 包进行应答，表示正确地接收到外部的控制命令数据包。如果外部控制器没有收到ACK 包， 则表示芯片没有正确接收到外部控制器之前发送的控制命令数据包。

③ 二字节测量数据包结构

在普通工作模式NOM下，将输出两个字节的测量数据，且先传输高字节再传输低字节。由于传感器桥的测量结果为14 位，所以将高字节的最高两位始终输出为零。在二字节中间有一个停止时间，它为位周期的一半，约为32 μs高电平的时间。二字节测量数据包结构如图7所示。

图7　二字节测量数据包结构

④ 三字节测量数据包结构

由于ZSC31015具有温度补偿的功能，因此其可以传送一个带温度数据的数据包。与二字节测量数据包相比，其增加了一个字节的温度数据。三字节测量数据包结构如图8所示。

图8　三字节测量数据包结构

4.4　ZACwire一线接口与MCU通信软件设计

MCU可以用中断方式或查询方式读ZSC31015的数据。经试验验证，ZACwire线采用普通的8051端口就可以实现操作。当连接ZACwire信号到MCU的引脚时，能够在起始位的下降沿引发一个中断，使MCU转向中断服务程序ISR。当使用查询方式时，MCU必须发起读数据操作。ZACwire与MCU的连线图如图9所示。

图9　ZACwire与MCU连线图

4.4.1读数据包读取

测量起始位下降沿和上升沿之间的时间，该时间就是闸门时间，其宽度为位宽度的一半。再等待一个Tstrobe的时间，即在下一个下降沿，开始采样ZACwire信号。因为每个位都以一个下降沿开始，所以每个位的采样窗口都会复位。这意味着从起始位开始的比特流将不会发生误差。建议当捕获起始位时，ZACwire信号的采样率至少为正常波特率的16倍。因为正常波特率是8 kHz，当捕获Tstrobe时，要求采样速率最小为128 kHz[9]。

4.4.28051的C语言代码

采用查询方式读ZSC31015数据，程序如下。程序中对于选通时间并没有进行精确测量，而是用延时函数估计。延时函数delay_10us是用逻辑分析仪对相应的MCU标定的，使用不同的MCU需要重新标定。

sbitSIG_PIN=P3^3;

∥延时函数，延迟x×10 μs，晶振为11.059 2 MHz

void delay_10us(unsigned char x){

unsigned char i,j;

for(i=0;i

j=6;

while(--j);

}

}

∥读取两个字节数据的函数

unsigned int ZSC31015(unsigned int temp_value){

unsigned int temp_value1=0;

unsigned int temp_value2=0;

unsigned char i;

delay_10us(12)；

//延时120 μs，等待稳定

//读取第一个数据字节

while(SIG_PIN= =1);

//等待起始位开始(等待下降沿)

while(SIG_PIN= =0);

//等待Tstrobe(等待上升沿)

for(i=0;i<9;i++){

//读8位数据和1位校验位

while(SIG_PIN= =1);

delay_10us(6)；

//延时一个闸门时间Tstrobe

if(SIG_PIN= =1)

temp_value1|=1<<(8-i);

//获取数据位，若此时SIG_PIN脚上为

高电平代表接收的数据为1，否则为0

else

while(SIG_PIN= =0);

//等待信号线再次为高电平

}

//读取第二个数据字节

while(SIG_PIN= =1);

//等待起始位开始(等待下降沿)

while(SIG_PIN= =0);

//等待Tstrobe(等待上升沿)

for(i=0;i<9;i++){

//读8位数据和1位校验位

while(SIG_PIN= =1);

delay_10us(6)；

if(SIG_PIN= =1)

temp_value2|=1<<(8-i);

//获取数据位，若此时SIG_PIN脚

上为高电平代表接收的数据为1，否则为0

else

while(SIG_PIN= =0);

//等待信号线再次为高电平

}

temp_value1 >>=1;

//删除校验位

temp_value2 >>=1;

//删除校验位

temp_value = (temp_value1<< 8)|temp_value2;

return temp_value;

}

5传感器电桥的数字校准

一般的惠斯通电桥形式的传感器都存在零点偏差(OffsetB)、满量程偏差和温度漂移偏差，另外，电桥本身还存在非线性(pressure nonlinearity,PNL)，如图10所示。

图10　惠斯通电桥的二次非线性

这些偏差都会对实际物理量的测量带来误差。为了得到与实际物理量成正比的线性输出，ZSC31015设计的数字校准算法可以对零点误差、满量程误差、电桥自身的非线性误差和温度漂移偏差进行补偿[10]。

5.1　传感器电桥的二次非线性校正

传感器电桥的线性度可以进行一次或二次校正。典型的惠斯通电桥都具有非线性(PNL)，一般PNL 的范围为-2.5%FSO~+2.5%FSO。用户可根据所使用的传感器的线性度指标决定是否对传感器进行二次非线性的校准。传感器的二次非线性校准需要在同一温度下采集至少3 点不同压力条件下的测量值，以确定二次抛物线的系数。

具体的计算过程如下。

ZB=Gain_B×(1+ΔT×Tcg)×

(BR_RAW-Offset_B+ΔT×Tco)

BR=ZB(1.25+SOT×ZB)

式中：BR为经修正后的桥传感器测量结果，可作为数字输出或在SIG脚模拟输出;ZB为计算过程中的中间结果;BR_Raw为从A/D读出的原始桥数据;Gain_B为桥式传感器信号的增益;Offset_B为桥式传感器信号的偏移量;SOT为二阶参数;Tco为温度系数偏移;Tcg为温度系数增益。

以上计算过程由软件自动完成。

5.2　校准过程

采用ZMDI公司提供的校准软硬件，由主机采集不同压力和温度下的压力传感器的原始数据，并对这些数据进行处理，最后将修正计算系数写入芯片。校准有3个主要步骤。

① 为芯片设置一个唯一的编码。这通过EEPROM 编程实现。这个编码可以作为校准数据的数据库索引。数据库中将包含用于校准计算所需的所有压力和温度原始数据。这个编码可以用EEPROM 中的TSETL、Tcg、Tco 寄存器的值联合起来表示(没有专用的寄存器来存放编码)。

② 数据采集。即对不同压力和温度下的传感器桥进行数据采集，并将数据存于指定的索引(即IC 编码)下。

③ 校准参数的计算和写入。当校准计算机采集到足够的用于校准的数据后，计算机将进行校准参数的计算并将计算结果写入芯片。

5.3　校准后的测量结果

表1是某压力传感器在-40 ℃、20 ℃、80 ℃情况下经补偿后的测量数据，传感器测试压力范围为0~10 bar(1 bar=0.1 MPa),输出为电压信号。

表1　补偿后在不同温度下的试验结果

采用ZSC31015芯片对每个传感器的零点输出统一为0.5 V，满度输出统一为4.5 V。从表中数据可见，整个量程(0.5~4.5 V)内实现了准确的零点和满度校准，并完成了温度补偿，实现了各传感器的一致性，且输出信号与压力呈良好的线性关系，得到了优良的校准结果。

6结束语

通过以上分析和试验结果可以看出,采用ZSC31015能够精确补偿校正压力传感器的温度误差,经过补偿后,传感器的输入与输出之间呈现良好的线性关系。同时,简化了外围电路设计, 缩小了电路体积小,便于实现信号调理电路与传感器的一体化设计。与传统方法相比, 利用ZSC31015对传感器进行数字化补偿, 对压力传感器更好地应用于测量领域有着重要的意义。近年来，德国ZMDI公司的芯片在国内得到

越来越多的应用，但代码开放度还不够，该公司应提供更多的应用程序，便于工程师开发应用。

参考文献

[1] 何宸,李明富,李莉，等.基于ZMD31050的一体化应变式传感器设计方法[J].兵工自动化,2014(5):88-90.

[2] 冯建华,袁爱军,张磊.硅压阻压力传感器在地下水监测中的应用[J].自动化仪表,2012(11):81-82.

[3] 李纯,程静贤,李琦.ZMD31050在力传感器智能信号修调技术中的应用[J].传感器与微系统,2012(12):146-147.

[4] 沙占友,白云飞,安国成.集成化精密电流变送器的原理与应用[J].电源技术应用,2004(4):234-237.

[5] 罗永红,王沛莹.XTR115电流环电路原理及应用[J].电子设计工程,2011(4):190-192.

[6] 任焱晞,李青霞,陈俊达，等.基于软件的智能传感器的概念与实现[J].计算机测量与控制,2003(11):638-640.

[7] 闫超,李宗醒,毛超民，等.硅压阻式传感器智能数字补偿系统[J].仪表技术与传感器,2010(11):9-12.

[8] 朱艳丽,陈拓.TSic系列高精度温度传感器的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2012(3):44-46.

[9] 陈力刚,付建华,白磊，等.利用MAX1452提高水位传感器的信号质量[J].山西地震,2008(7):14-17.

中图分类号：TH7;TP216

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508023

江苏省产学研联合创新资金-前瞻性联合研究项目(编号：BY2014023-25)。

修改稿收到日期：2014-11-16。

第一作者缪晓中(1972-)，男，1993年毕业于苏州大学物理专业，获硕士学位，副教授；主要从事仪器仪表、嵌入式系统方面的研究。