李 純，程靜賢，李 琦

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng)621000)

0 引 言

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，力測(cè)量已經(jīng)深入到科研和工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有大量的測(cè)力點(diǎn)需要測(cè)量顯示。選擇高性能、具有數(shù)字接口的信號(hào)調(diào)理器，將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸顯示，解決工控現(xiàn)場(chǎng)干擾的影響，顯得尤為關(guān)鍵。ZMD31050 是一種高集成、高精度橋式傳感器信號(hào)處理CMOS 集成電路，將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行輸出，且外圍電路簡(jiǎn)單，具有能耗低、安全可靠等特點(diǎn)。本文介紹了ZMD31050 在力傳感器測(cè)試儀實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)傳感器信號(hào)調(diào)理，提高測(cè)試儀整體精度。

1 ZMD31050 芯片［1］簡(jiǎn)介

ZMD31050 是高精度橋式傳感器信號(hào)處理的CMOS 集成電路。該產(chǎn)品提供了傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性的數(shù)字補(bǔ)償，內(nèi)部有一個(gè)16 位的RISC 微控制器運(yùn)行校準(zhǔn)公式，校準(zhǔn)系數(shù)存放于EEPROM 中。

ZMD31050 工作原理如圖1 所示。

圖1 ZMD31050 工作原理Fig 1 Working principle of ZMD31050

ZMD31050 的信號(hào)分為模擬部分和數(shù)字部分。從橋式傳感器出來(lái)的信號(hào)在PGA 中進(jìn)行預(yù)放大，MUX將該信號(hào)與外部二極管或分立溫度傳感器信號(hào)按照某種序列傳送給A/D 轉(zhuǎn)換單元。其后，A/D 轉(zhuǎn)換單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。在CMC 中對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行校正，校正是基于ROM 中存放的校正公式和EEPROM 中存放的校準(zhǔn)參數(shù)來(lái)進(jìn)行的。根據(jù)對(duì)輸出的配置將傳感器信號(hào)以模擬量、數(shù)字量、PWM 的形式輸出，輸出信號(hào)由串行接口和FIO1，F(xiàn)IO2提供，數(shù)據(jù)配置和參數(shù)校準(zhǔn)可以通過(guò)數(shù)字接口SIF 實(shí)現(xiàn)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖2 所示，測(cè)試儀主要由力傳感器、ZMD31050 信號(hào)調(diào)理和51 單片機(jī)三部分組成。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of hardware

傳感器電橋部分主要將力信號(hào)通過(guò)惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為0～20 mV 微電壓信號(hào);ZMD31050 信號(hào)調(diào)理部分完成傳感器供電和采集傳感器電壓信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)調(diào)理放大為0～5 V電壓信號(hào)輸出;51 單片機(jī)部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)ZMD31050芯片編程，接收傳感器信號(hào)，并通過(guò)濾波、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)后輸出顯示［3～5］;鍵盤(pán)控制部分主要實(shí)現(xiàn)傳感器標(biāo)定校準(zhǔn)功能。

圖3 給出了基于ZMD31050 的力傳感器測(cè)試儀應(yīng)用電路圖。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

力傳感器測(cè)試儀選用AT89C51 為外部微控制器。通過(guò)I2C 串口與ZMD31050 進(jìn)行數(shù)字通信，讀取傳感器信號(hào)并顯示。主程序流程圖如圖4 所示。

程序先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括端口、計(jì)時(shí)器等，接著進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，判斷是否有鍵盤(pán)操作，然后對(duì)ZMD31050發(fā)送讀數(shù)指令，等待芯片應(yīng)答后，開(kāi)始持續(xù)讀取ZMD31050調(diào)理器采集的傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾波轉(zhuǎn)換后輸出顯示。

圖3 力傳感器測(cè)試儀應(yīng)用電路圖Fig 3 Application circuit diagram of test instrument of force sensor

3.2 傳感器信號(hào)修正

設(shè)計(jì)中，采用線性插值法［5］擬合曲線，傳感器非線性調(diào)整。根據(jù)傳感器實(shí)際，對(duì)傳感器測(cè)量范圍進(jìn)行分段標(biāo)定，對(duì)應(yīng)的標(biāo)定值與實(shí)際值之間求得修正值αn，將αn和計(jì)算公式 Y=Yn－1+ αn(Y'n－ Y'n－1)(其中，Y 為理論輸出值;Y'為實(shí)際測(cè)量值)存入EEPROM。通過(guò)對(duì)當(dāng)前采集值大小判斷，調(diào)用相應(yīng)的αn修正值和計(jì)算公式，很容易得出傳感器修正后的數(shù)值。同時(shí)，利用ZMD31050 片內(nèi)溫度傳感器采集環(huán)境溫度，對(duì)傳感器當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)輸出。

為了提高測(cè)試儀的精度和可靠性，采用限幅濾波和算術(shù)平均濾波［6］對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集值進(jìn)行處理。先經(jīng)過(guò)連續(xù)采樣 N 次，得到采樣數(shù)據(jù)(i =1，2，…，N)，對(duì) Xi進(jìn)行排序，去掉最大值和最小值，得到中間N －2 個(gè)數(shù)據(jù)。對(duì)這N－2個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，得到xi，Xn即為當(dāng)前點(diǎn)的采集值，排除了測(cè)試儀在工作中產(chǎn)生的極值干擾和偶然干擾。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

100 kgf 力傳感器測(cè)試儀原始標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 力傳感器原始數(shù)據(jù)Tab 1 Raw data of force sensor

100 kgf 力傳感器測(cè)試儀線性修正后標(biāo)定結(jié)果如表2 所示。

5 結(jié) 論

ZMD31050 在100 kgf 力傳感器測(cè)試儀的應(yīng)用中，信號(hào)修正前，傳感器精度約為0.5%FS，經(jīng)信號(hào)修正后，標(biāo)定結(jié)果精度優(yōu)于0.2%FS，精度達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果，在工程應(yīng)用中，該測(cè)試儀工作穩(wěn)定性好。如果要求更高精度，則需要配合其他線性修正方法，并考慮傳感器溫度特性等條件進(jìn)行調(diào)整。

表2 修正后數(shù)據(jù)Tab 2 Revised data

［1］ ZMD31050.Advanced differential sensor signal conditioner［DB/OL］.［2008-09-04］.http:∥ www.servoflo.com/downloads/zmd31050.pdf.

［2］ 何立民.MCS-51 系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)［M］.1 版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004:36－48.

［3］ 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.3 版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005:76 －80.

［4］ 王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全［M］.2 版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2000:57 －88.

［5］ 段 紅.電子秤非線性自動(dòng)修正方法［J］.計(jì)量技術(shù)，2000(8):35 －36.

［6］ 唐露新.基于非線性誤差修正的智能水質(zhì)檢測(cè)儀的研制［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19(1):225.