沈金鑫，夏　靜

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京　210094)

0　引言

硅壓阻式壓力傳感器具有體積小、精度高、靈敏度高、可靠性高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航天航空、石油化工等場合的壓力測量。但是由于非線性、零點熱漂移、溫度靈敏度漂移等影響，極大地限制了硅壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用。

非線性和溫度補償方式分為硬件補償[1-3]和軟件補償，由于硬件補償?shù)某杀据^高，為了修正非線性和溫度漂移的影響，文中提出了一種基于C8051F350[4]的硅壓阻式壓力傳感器智能校準系統(tǒng)，利用多項式擬合方法，對非線性和溫度漂移進行修正。

1　概述

硅壓阻式壓力傳感器智能校準系統(tǒng)是基于C8051F350單片機的傳感器輸出線性化和溫度補償?shù)男誓K，可應(yīng)用于各種傳感器輸出電壓非線性和溫度漂移的修正與補償，采用上、下位機的方式構(gòu)建智能校準系統(tǒng)，上、下位機通過RS485總線按照制定的通訊協(xié)議進行通信、數(shù)據(jù)傳輸及下載修正系數(shù)。智能校準系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1　智能校準系統(tǒng)總體框圖

工作原理：在上位機上發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，下位機接收并分析上位機發(fā)送的命令，完成壓力和溫度的采集與處理，并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，上位機對下位機采集的壓力信號和溫度通過規(guī)范化多項式擬合，計算得到擬合系數(shù)并發(fā)送至下位機，下位機將其保存片內(nèi)存儲器內(nèi)作為傳感器的修正系數(shù)。

2　信號采集裝置設(shè)計

信號采集裝置由信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換及主控制器、溫度傳感器、通訊接口和電源電路組成，主要完成傳感器壓力信號和環(huán)境溫度的采集、處理和傳輸。信號采集裝置電路圖如2所示。

2．1信號放大電路

由于傳感器輸出的模擬信號一般比較微弱，需要將信號放大至A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，以進行傳感器數(shù)據(jù)的采集。

C8051F350片內(nèi)具有可編程增益放大器(PGA)，可對ADC輸入進行放大，可設(shè)置的放大倍數(shù)為1、2、4、8、16、32、64和128。由于壓力傳感器一般為2 mV/V，橋壓為10 V時，滿量程輸出電壓為20 mV，設(shè)置PGA放大倍數(shù)為8。

2．2A/D轉(zhuǎn)換及主控制器

C8051F350是混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)，具有CIP-51微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容；機器周期由標準的12個系統(tǒng)時鐘降為1個系統(tǒng)時鐘周期，處理速度大大提高，峰值速度可達50 MIPS。片資源有24位Σ-Δ型ADC、電壓基準、UART0、SPI、SMBus等。

圖2　信號采集裝置電路圖

上信號采集裝置利用C8051F350片上24位Σ-Δ型ADC來實現(xiàn)模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換，使用內(nèi)部+2.5 V參考電壓。為了獲得較高的轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性，當需要進行A/D轉(zhuǎn)換時，切換至內(nèi)部時鐘，并使用SINC3濾波器，ADC0調(diào)制時鐘MDCLK為2.457 6 MHz，抽取比為1 920，轉(zhuǎn)換速率為10 Hz．由于片內(nèi)+2.5 V基準的穩(wěn)定性高、精度較低，需要使用高精度萬用表對A/D轉(zhuǎn)換進行校準。

2．3溫度傳感器

對溫度漂移進行補償?shù)臅r候，需要測量傳感器所處環(huán)境的溫度值并傳輸至上位機；當完成校準之后，也要測量溫度以修正壓力傳感器的輸出值；溫度的測量采用集成數(shù)字溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)。

DS18B20為數(shù)字式溫度傳感器，運用單總線方式通訊，測溫范圍-55～+125 ℃，可編程分辨率達到0.062 5 ℃。

2．4通訊接口[6]

RS485總線采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，具有抗共模干擾能力強，抗噪聲干擾性好的特點。

信號采集裝置采用RS485總線進行通信和數(shù)據(jù)傳輸，通過通訊接口接收命令，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作，再通過通訊接口將采集數(shù)據(jù)傳輸至上位機或其他設(shè)備。

2．5電源電路

信號采集裝置采用可充電鋰電池或直流電源供電，電源電路給裝置內(nèi)各個模塊的元件器提供工作電壓。信號采集裝置選用低工作電壓的芯片，整個裝置需要+5 V和+3.3 V電壓，降低了信號采集裝置的功耗，提高了可靠性和抗干擾能力，電源芯片采用LM1117DTX-5．0和LM1117DTX-3．3。

3　智能校準系統(tǒng)軟件設(shè)計

3．1下位機程序設(shè)計

采用Silicon Laboratories公司的集成開發(fā)環(huán)境為開發(fā)平臺，使用圖形化配置軟件對各個模塊進行配置。程序流程圖如圖3所示，包括主程序、數(shù)據(jù)采集及處理、數(shù)據(jù)傳輸、串口中斷等部分。

圖3　下位機程序流程圖

串口中斷中對接收到的數(shù)據(jù)進行分析，如果是有效的操作命令，則置位相應(yīng)的標志位并傳遞至主程序中，在主程序中實現(xiàn)相應(yīng)的操作命令，完成后清除標志位。

下位機的有效命令分為校準命令和讀取命令，校準命令分為壓力采集、溫度采集和下載修正系數(shù)，讀取命令即為輸出經(jīng)過修正之后的當前壓力值。

3．2上位機軟件設(shè)計[7]

LabVIEW的函數(shù)庫中提供了串口通訊函數(shù)，可用來設(shè)計下位機與PC機的串口通訊。定義通訊協(xié)議如下：密碼字+接收方地址+發(fā)送方地址+命令字+數(shù)據(jù)幀長+數(shù)據(jù)域+結(jié)束字，波特率：9 600，數(shù)據(jù)位：8，停止位：1，無奇偶校驗。

上位機工作流程：首先上位機向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，然后等待下位機采集并上傳數(shù)據(jù)，接著上位機從串口中讀取下位機上傳的數(shù)據(jù)，并返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。串口通訊程序框圖如圖4所示，規(guī)范化多項式擬合程序框圖如圖5所示。

圖4　串口通訊程序框圖

圖5　規(guī)范化多項式擬合程序框圖

4　試驗及分析

試驗以某型號硅壓阻式壓力傳感器零點熱漂移修正為例，分別測量-5～80 ℃?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲭妷海玫綗崞茢M合方程為U0(T)=-3.540 46+0.028 68T-0.000 81T2+0.000 14T3，零點熱漂移的擬合曲線如圖6所示。

圖6　零點熱漂移擬合曲線圖

表1列出了零點熱漂移修正后傳感器零點電壓與標準值之間的誤差，由表可知，在0～50 ℃之間，零點熱漂移修正誤差僅為5%

5　結(jié)論

該傳感器智能校準系統(tǒng)，充分利用C8051F350片內(nèi)24位Σ-Δ型ADC，實現(xiàn)壓力信號的高精度采集，使用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20測量溫度，使得電路板小巧、輕便，可應(yīng)用于成本低、體積小的場合。經(jīng)過調(diào)試與試驗，其壓力和溫度的采集精度以及數(shù)據(jù)傳輸均達到設(shè)計要求，可滿足壓力傳感器修正的需要，并可應(yīng)用于其他傳感器的溫度補償。

表1　擬合誤差分析

參考文獻：

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