基于LabVIEW的多通道压力传感器实时动态检测系统设计

赵佳龙， 岳 宏， 夏 航， 丁钟凯， 唐胜武

(1.中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150028；2.哈尔滨华云泰科传感技术有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引 言

压阻式压力传感器具有体积小、精度高、灵敏度好、响应快、功耗低、可靠性高、易于小型化、集成化等优点，在航天、航空、生物、医药、船舶、石油、化工、钢铁等军民用压力测量领域应用十分广泛[1]。通常压阻式压力传感器敏感部分由半导体材料构成电桥结构来感知压力变化，由于半导体材料的压阻系数具有较大的温度系数，所以,压阻传感器的输出不可避免地受到工作环境温度的影响[2]，从而直接影响到传感器的实际性能指标[3]。所以，在实际生产中，需要通过技术措施遏制温度变化影响，改善传感器的技术指标及性能，即温度补偿技术。进行温度补偿，降低传感器温度误差并对信号进行非线性修正是传感器从设计到生产全过程的一项重要的工作[4,5]。

通过电桥补偿方式在硬件方面直接对传感器敏感部分进行温度补偿可以直接改进传感器基础性能，几乎不会改变传感器动态特性[6]，利于控制成本。硬件补偿需要对电桥电路提供稳定电源，同时获得电桥电路如各桥臂电阻、输出等参数指标，在传感器生产过程中自动测量各项参数并实现对批次产品准确测量的检测系统，保证产品质量和生产效率。

本文设计了一种具有总线结构、可以同时对96路压阻式压力传感器进行供电并检测电桥电阻、输入电流、输出电压等参数的检测系统，对压阻式压力传感器批量生产过程中实现温度补偿具有重要的作用和意义。

1 总体设计

本文设计主要包括多通道压力传感器检测仪、数字电源、数字繁用表和计算机。系统整体构成框图如图1所示。

图1 系统构成框图

多通道压力传感器巡检装置是系统硬件主体，主要实现同时接入多路待测压力传感器，设计上可同时接入96路压力传感器，通过选择电路轮询检测,为接入的压力传感器提供恒流源供电,以及通过现场RS—485总线与计算机连接通信，响应计算机端发出的命令。

计算机为系统控制部分，主要是按照设定的流程或用户指定命令控制多通道压力传感器巡检装置，测量前端压力传感器的桥臂电阻、工作电流、输出电压等参数，并实时读取数字繁用表输出，将测量数据记录到数据文件中用以补偿、检校等。

数字电源用来支持多通道压力传感器巡检装置中电路工作。

2 检测原理

2.1 补偿建模原理

压阻式压力传感器的利用单晶硅或多晶硅的压阻效应。当单晶硅或多晶硅材料在受外力作用时，其能带结构发生变化，导致其电阻率随之改变的现象为压阻效应。金属或半导体材料的电阻率发生变化会引起其电阻的相对变化。而电阻的变化量则不便于直接的测量，所以经常需要将其转变为便于检测的电流或电压的变化。设计中采用到了由4只电阻构成的惠斯顿电桥[7]。

根据压阻效应，当电阻受到应力作用时，其电阻率将相应发生改变。由于硅材料为多向异性，其压阻系数与晶向有关，因此压阻效应通常表示为

(1)

式中σkl为外加作用力引起的应力，k为应力的作用方向，l为应力方向，Δρij为电阻率，i为电场强度方向，j为电流密度方向，πijk为对应于σkl的压阻系数。

电阻的相对变化

(2)

式中πλ为纵向压阻系数，πλ′为横向压阻系数，σλ为纵向应力，σλ′为横向应力。πλ和πλ′与晶向有关，σλ和σλ′决定于膜片的受力状态。

当构成压力传感器电桥上的4只电阻阻值相等，受力状态的绝对值相等时，且在恒流源供电时，此时的电桥输出

U=ΔRIo

(3)

式中 ΔR为电阻变化量,Io为供电电流。

由此输出电压与桥阻变化成正比。实际上压力输出灵敏度和电桥电阻随温度而变化，所以输出幅值的温度变化是压力灵敏度与电桥电阻随温度变化的结果。通过构建电桥电阻补偿网络反馈叠加补偿电桥电阻温度系数，使输出幅值获得平衡，实现输出幅值的温度补偿从而实现对传感器输出灵敏度的温度补偿[8]。

2.2 检测结构设计

本文设计了2×5开关矩阵，开关矩阵与数字繁用表测量端连接，通过计算机控制数字繁用表各测量档切换，检测电桥参数。结构如图2所示。其中A、B接入数字繁用表测量端。I+、I-接传感器供电，U+、U-接传感器电桥输出。

图2 电桥检测结构示意

系统用于96路传感器检测，设计上通过控制结构，完全控制传感器各接入点的输入，通道检测结构如图3所示。1、2、3、5各点与电桥供电和输出端连接，3与4之间接入保护电阻。各控制端以及供电控制端通过巡检装置中处理器控制，实现按命令查询检测或整体轮询检测。

图3 通道切换检测结构示意

3 硬件设计

系统硬件设计上主要考虑供电单元、通信单元、电桥检测单元、通道切换单元几部分[9]。

供电方面需要保障多通道压力传感器巡检装置正常工作，同时各传感器正常工作。电源采用5 V/12 V双通道开关电源，其中5 V电源用于巡检装置供电，12 V电源用于驱动传感器供电恒流源电路，该部分功率较大，电源额定电流3 A。考虑到通常情况下压阻式压力传感器上电后需要一段时间稳定输出，所以在待机状态下，所有通道传感器均上电保持工作状态。同时能够对不同测量需求时进行控制。传感器供电设计及控制电路如图4所示。

通信单元主要考虑到多通道压力传感器巡检装置中各功能模块间通过RS—485现场总线通信，系统还需要与计算机通过RS—232与RS—485信号转换连接。

图4 传感器供电及控制电路

电桥检测单元电路包括4个部分。2个MCU模块、1个驱动模块和1个矩阵切换模块。MCU通过RS—485电路与总线连接。MCU1模块连接驱动模块，用于控制矩阵开关，MCU2模块检测矩阵开关返回的开关信号，用以确定工作时开关状态。MCU模块电路如图5所示。

图5 MCU电路

通道切换单元电路包括MCU模块、驱动模块、选择控制模块。选择控制模块包括恒流供电模块和选择控制模块。多通道压力传感器巡检装置共包括12个通道切换单元，每个通道切换单元包括8个独立选择控制模块，来实现共96通道压力传感器检测。通道切换单元是能够实现多通道查询检测和轮询检测的硬件基础。图6为构成示意图。

图6 通道切换单元电路构成

4 软件设计

4.1 通信协议实现

系统软件需要完成两方面内容。在多通道巡检装置中，通过对C8051F410编制程序实现数据通信，控制通道选择以及返回工作状态的功能。数据通信协议采用Modbus通信协议实现[10，11]。

Modbus采用半双工的通信方式，数据通信采用Master/Slave(主/从)方式，Master端发出数据请求消息，Slave接收到正确消息后，发送数据到Master端以响应请求；Master端可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写[12]。

Modbus规约主要使用的是ASCII,RTU,TCP等，并没有规定物理层。系统设计应用了RS—485接口方式，遵循RTU协议并在此基础上规定了具体消息、数据的结构、命令和应答的方式。

数据报文格式定义如下：

主机查询报文为：

地址功能码寄存器地址高位寄存器地址低位寄存器数据高位寄存器数据低位校验0x010x030x000x100x000x010xXX

从机应答报文为：

地址功能码字节数数据高字节数据低字节校验0x010x030x020xXX0xXX0xXX

主机发送指令，访问从站地址为1，使用功能码03(读保持寄存器)，起始地址高8位、低8位，表示想读取的模拟量的起始地址。寄存器数量高8位、低8位，表示从起始地址开始读多少个模拟量。错误校验为CRC校验。

从站应答时，设备地址和命令号与主机查询相同。返回的字节数，表示数据的字节个数。数据高低字节代表返回的1个数据的值。错误校验为CRC校验。

具体执行的程序流程如图7(a)所示。

图7 软件流程框图

4.2 主机控制系统

计算机端软件是系统控制、数据采集、数据记录和运算的主体。软件通过LabVIEW完成设计[13～16]。通过配置参数信息，确定所需测量的各项参数；通过发送命令和接收状态来控制系统工作；保存测量参数用于进一步补偿。软件工作流程如图7(b)所示，软件工作界面如图8所示。

图8 计算机软件界面

5 测试试验

完成系统各模块并调试组装后，进行了系统测试，测试了系统轮询全部96个通道，完成检测及数据存储的工作时间为98 min，大大提高工作效率。测试了压阻式压力传感器电桥输入电流，桥臂电阻电桥输出电压，表1为部分检测结果，实测表明，系统能够按照设计目标为待测传感器提供稳定、准确的恒流供电，准确测量各待测参数。

表1 部分实验数据

6 结束语

本文通过分析压阻式压力传感器工作原理和温度补偿方法及过程，建立了自动补偿参数采集模型，设计了一种多通道压阻式压力传感器检测系统。该系统能够自动完成压阻式压力传感器温度补偿过程中电桥参数自动检测，同时为传感器提供精度高、稳定性好的电流源，保证检测精度，极大简化检测过程，提高检测效率，为传感器温度补偿提供高效可靠的检测方法。同时该系统通用性较强，具有广泛的应用领域和前景。