彭軍皓，蔣　慶，湯建斌，周喬軍

(中國計量學(xué)院計量測試工程學(xué)院，浙江杭州　310018)

0　引言

壓阻式傳感器具有功能強、精度高、體積小、微功耗和高性價比等優(yōu)勢，它在航空、航天、醫(yī)療、生物和海洋工程等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。但由于半導(dǎo)體材料的固有特性，壓阻式傳感器普遍存在著一致性差、溫度漂移和非線性等問題，其中溫度漂移對傳感器精度影響最大[2-4]。因此，實現(xiàn)傳感器批量化自動溫度補償是一件非常重要工作。

目前，傳感器的溫度補償方案有很多種[5-8]，文中針對集成一體化的傳感器設(shè)計了一種基于MAX1452信號調(diào)理芯片，以計算機為通信終端的多路傳感器自動溫度補償系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以一次補償80只傳感器，經(jīng)實驗驗證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)主要由5部分組成：計算機、高低溫實驗箱、精密壓力控制器、多路校準(zhǔn)模塊和待補償?shù)膫鞲衅?。其中待補償?shù)膫鞲衅魇怯裳a償電路和壓力芯體組成的集成傳感器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，精密壓力控制器選用可調(diào)氣體壓力控制DruckPACE5000，壓力控制精度達(dá)到0.003％FS，最大量程可達(dá)21 MPa，用來給傳感器提供所需的標(biāo)準(zhǔn)壓力；高低溫實驗箱溫度范圍為-50～150 ℃，控制精度0.1 ℃，它為傳感器提供各補償點所需的環(huán)境溫度；多路校準(zhǔn)模塊可實現(xiàn)計算機與各個傳感器之間的通訊和數(shù)據(jù)采集。待補償傳感器需要的壓力大小、溫度高低以及具體執(zhí)行的操作都是通過計算機發(fā)送指令控制實現(xiàn)的。

整個系統(tǒng)以計算機為控制核心，與精密壓力控制器、高低溫實驗箱和待補償傳感器實現(xiàn)一個閉環(huán)反饋控制，使系統(tǒng)控制精度與穩(wěn)定性顯著提高，并且與單路補償相比,可以實現(xiàn)一次對80只傳感器進行溫度補償，提高了工作效率。

2　硬件部分設(shè)計

2.1傳感器補償電路

傳感器補償電路是傳感器的重要組成部分，也是整個系統(tǒng)能否實現(xiàn)溫度補償?shù)年P(guān)鍵。它主要由1個MAX1452和1個GM6155組成，如圖2所示。MAX1452作為補償電路的核心，是一款高度集成的信號調(diào)理芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括1個16級可編程增益放大器(PGA)、1個768字節(jié)的內(nèi)部EEPROM、4個16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、1個8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、1個內(nèi)嵌的溫度傳感器以及用于橋傳感器溫度補償和線性化的索引溫度系數(shù)表，可以在-40～+125 ℃范圍內(nèi)以1.5 ℃的間隔進行補償修正[9]。MAX1452通過串行數(shù)字輸入/輸出口(DIO)通信結(jié)構(gòu)實現(xiàn)設(shè)備通訊，并最終將補償后信號從OUT端輸出。GM6155是一款低噪聲高精度的穩(wěn)壓器，給MAX1452提供穩(wěn)定的內(nèi)部5 V電壓，使MAX1452正常工作。

圖2　傳感器補償電路

2．2多路校準(zhǔn)模塊

每個未補償傳感器要得到正確的補償系數(shù)，都需要在多個溫度點進行大量實驗與數(shù)據(jù)計算，其中補償過程中，高低溫實驗箱升降溫和保溫需要時間最長，為了彌補單個補償造成大量人力與時間浪費，設(shè)計了多路校準(zhǔn)模塊。

多路校準(zhǔn)模塊是計算機與待補償傳感器之間通訊橋梁，也是實現(xiàn)多路補償?shù)年P(guān)鍵。它主要包括中央處理模塊、片選模塊、采樣模塊、通訊模塊和電源模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3　多路校準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)框圖

(1)中央處理模塊采用PCI18F4550單片機，此中央處理單元最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路、晶振電路和JTAG仿真調(diào)試接口。單片機I/O口與MAX1452補償電路 DIO端相連，實現(xiàn)跟傳感器之間信息實時交換。

(2)片選模塊采用5個16位復(fù)用器74HC4067并聯(lián)的方式組成。74H4067是16選1模擬開關(guān)，單片機通過它來控制具體某一通道的傳感器被補償，從而實現(xiàn)對80個傳感器切換選擇的目的。

(3)采樣模塊采用AD7705，它是一款低成本高分辨率16位A/D轉(zhuǎn)換芯片，主要用來采集各個傳感器模擬信號輸出。

(4)通訊模塊采用MAX232，該芯片能把電腦的串行口RS232信號電平轉(zhuǎn)換為單片機所用到的TTL信號電平，從而實現(xiàn)單片機與計算機之間數(shù)據(jù)交換。

(5)電源模塊將外部220 V AC電源通過開關(guān)電源以及相關(guān)的AC/DC模塊轉(zhuǎn)為5 V或者12 V，分別給傳感器、單片機和其他集成芯片提供電源。

3　軟件部分設(shè)計

3．1上位機軟件

系統(tǒng)上位機軟件利用Visual Bisic6．0作為開發(fā)平臺，采用模塊化編程的思想設(shè)計各個功能模塊，各個模塊之間相互獨立又相互聯(lián)系，整個軟件模塊框圖如圖4所示。

圖4　軟件設(shè)計框圖

上位機軟件主要功能包括串口通訊設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、補償校準(zhǔn)、顯示輸出和數(shù)據(jù)存儲。串口通訊設(shè)置通過VB軟件自帶的MSComm控件完成計算機與高低溫實驗箱、精密壓力控制器和多路校準(zhǔn)模塊通訊，通過具體通訊協(xié)議完成數(shù)據(jù)發(fā)送與接收；參數(shù)設(shè)置主要是對待補償傳感器零點壓力、滿量程壓力、輸出上下限和補償溫度等參數(shù)的設(shè)定；補償校準(zhǔn)是根據(jù)待補償傳感器的信息計算補償參數(shù)，完成傳感器補償過程；顯示輸出是在補償過程中實時顯示被測傳感器的溫度壓力情況并監(jiān)測其輸出信號，標(biāo)記補償狀態(tài)；數(shù)據(jù)存儲是記錄補償過程中各個溫度點補償參數(shù)，用于數(shù)據(jù)擬合和查詢。

3．2多路校準(zhǔn)模塊軟件

多路校準(zhǔn)模塊軟件主要包括通訊和采集2個部分，通訊部分包括計算機與傳感器，采集部分實時采集各傳感器的信號輸出。多路校準(zhǔn)模塊上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，初始化完畢后等待上位機指令，包括工位指令和具體操作指令。當(dāng)多路校準(zhǔn)模塊接收到工位指令后，根據(jù)指令要求選擇具體工位傳感器，選擇成功后向上位機返回“成功”信號。多路校準(zhǔn)模塊只有對工位選擇完成后，才能對該工位傳感器執(zhí)行其他操作指令。多路校準(zhǔn)模塊與傳感器之間通訊要遵守MAX1452數(shù)據(jù)手冊的指令格式，如果該指令MAX1452有回碼，需接收MAX1452的數(shù)據(jù)完畢后，將數(shù)據(jù)一起發(fā)送給上位機；如果該指令MAX1452沒有回碼，則發(fā)送完畢后直接向上位機返回“成功”。

4　自動補償過程

自動補償過程主要分為預(yù)校準(zhǔn)和正式補償2個部分。預(yù)校準(zhǔn)過程是在常溫下進行，根據(jù)傳感器壓力芯體的輸出信號和設(shè)定的輸出目標(biāo)，計算出MAX1452內(nèi)部可編程增益放大器(PGA)的具體放大倍數(shù)和其他參數(shù)，使傳感器在正式補償前輸出信號與目標(biāo)值比較接近，確保正式補償?shù)捻樌M行。如果預(yù)校準(zhǔn)失敗，則該工位傳感器不能進行正式補償，即補償失敗。

正式補償是一個微調(diào)的過程，系統(tǒng)在設(shè)定好的溫度點下調(diào)節(jié)傳感器的偏移量和跨度，計算出設(shè)定溫度點下的補償系數(shù)，通過最小二乘法擬合出其他未補償溫度點補償系數(shù)，最后將所有溫度點數(shù)據(jù)寫入MAX1452的EEPROM中，實現(xiàn)傳感器的溫度補償。正式補償中，MAX1452可以設(shè)定1～114個待補償溫度點，如果選取補償溫度點過多，則工作時間長且效率不高，如果選取補償溫度點過少，則補償精度不能滿足，所以要根據(jù)產(chǎn)品精度要求設(shè)定補償溫度點的個數(shù)。自動補償過程圖如圖5所示。

圖5　自動補償過程

5　實驗結(jié)果及分析

為了驗證該溫度補償系統(tǒng)的補償精度，選擇物理量程為0～4.0 MPa，工作溫度范圍為-30～90 ℃，補償后要求輸出電壓為0.5～4.5 V的傳感器作為待補償傳感器。實驗中選取-30 ℃、0 ℃、30 ℃、60 ℃、90 ℃ 5個溫度點作為溫度補償點。預(yù)校準(zhǔn)和正式補償完成后傳感器輸出電壓如表1、表2所示。

表1　預(yù)校準(zhǔn)后傳感器輸出

表2　正式補償后傳感器輸出

從表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，傳感器在預(yù)校準(zhǔn)后，不同溫度相同壓力情況下輸出電壓有明顯差距，而在正式補償后，不同溫度相同壓力情況下輸出電壓相差不大。

圖6和圖7分別為傳感器在預(yù)校準(zhǔn)和正式補償后不同溫度點下零點、滿量程輸出電壓情況，圖中虛線為目標(biāo)輸出電壓值。從圖中可以看出，傳感器在預(yù)校準(zhǔn)后，輸出電壓受溫度影響比較大，在零點和滿量程最大誤差分別達(dá)到5.2％和4.91％，非線性和溫度漂移問題嚴(yán)重，不能滿足實際應(yīng)用需求；傳感器在正式補償后，不同溫度點下零點輸出電壓穩(wěn)定為0.5 V，滿量程輸出電壓在4.5 V左右，在零點和滿量程最大誤差分別只有0.4％和0.38％，線性和一致性良好，實現(xiàn)了對傳感器的溫度補償。

(a)0 MPa壓力下

(b)4.0 MPa壓力下

(a)0 MPa壓力下

(b)4.0 MPa壓力下

6　結(jié)束語

針對壓阻式傳感器受溫度影響比較大，文中利用MAX1452信號調(diào)理芯片設(shè)計了一個完整的多路自動溫度補償系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過計算機控制溫度、壓力，利用多路校準(zhǔn)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)一次補償80只傳感器，使補償節(jié)拍提高了多倍，節(jié)約了大量時間和人力。

實驗結(jié)果表明：經(jīng)過系統(tǒng)補償后傳感器的溫度性能得到了極大改善，在一定范圍內(nèi)補償精度達(dá)到0.4％，能夠滿足生產(chǎn)實際需要。

參考文獻：

[1]張曉群，呂惠民．壓力傳感器的發(fā)展、現(xiàn)狀與未來．半導(dǎo)體雜志，2000，25(1)：47-50．

[2]閆超，李宗醒，毛超民，等．硅壓阻式傳感器智能數(shù)字補償系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2010(11)：10-12．

[3]郭明威，朱家海．壓阻式壓力傳感器溫度誤差的數(shù)字補償技術(shù)．儀表技術(shù)與傳感器，2008(5)：76-78．

[4]袁智榮，郭和平．硅壓阻式壓力傳感器的現(xiàn)場可編程自動補償技術(shù)．傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(11)：72-73．

[5]夏勇，楊建華．多路硅壓阻式壓力傳感器溫度補償系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)．測控技術(shù)，2006，25(1)：10-12．

[6]趙巖，李永軍，王恩懷．基于MAX1452的MEMS壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2009(10)：220-226．

[7]劉鵬，楊學(xué)友，楊靈輝，等．基于MAX1452硅壓力傳感器溫度補償系統(tǒng)的設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2010(4)：61-63．

[8]胡遼林，劉晨，蓋廣洪．硅壓阻傳感器的智能溫度補償研究．傳感技術(shù)學(xué)報，2012，25(4)：468-471．

[9]趙妍，劉志珍．基于MAX1452壓力傳感器溫度補償．電器應(yīng)用，2006，2(4)：136-139．