楊文濤, 馮則坤, 劉長(zhǎng)華, 戴建飛

(1.華中科技大學(xué) 光電學(xué)院,湖北 武漢 430074; 2.南昌工控電裝有限公司,江西 南昌 330001)

0 引 言

電橋式壓力傳感器存在零點(diǎn)漂移和非線性誤差缺陷，因此，需要采取有效的溫度補(bǔ)償和線性補(bǔ)償措施，提高傳感器的輸出精度和線性度[1]。傳統(tǒng)的改進(jìn)橋式電路方法可以達(dá)到一定的補(bǔ)償效果[2]，主要有自平衡電橋法補(bǔ)償電路[3]、雙橋法補(bǔ)償[4]、恒流源溫度補(bǔ)償電路[5]等方法，這些方法的共同缺點(diǎn)是單一地從硬件模擬電路角度去實(shí)現(xiàn)有限補(bǔ)償，因此補(bǔ)償精度不是很高，無(wú)法滿足一些高精度的應(yīng)用場(chǎng)合。目前，基于處理器的芯片式傳感器在各個(gè)領(lǐng)域中的有著廣泛的應(yīng)用，可以充分利用處理器強(qiáng)大的硬件運(yùn)算能力和靈活的軟件處理能力來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳感器穩(wěn)定性差、可靠性的缺陷[6]，從而提高傳感器的抗干擾性和精度。在傳感器生產(chǎn)中需要對(duì)傳感器產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)定處理，文獻(xiàn)[7]從控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度只給出了一種常規(guī)高溫壓力傳感器的測(cè)試標(biāo)定系統(tǒng)基本方法。

本文提出了芯片式傳感器的標(biāo)定平臺(tái)方案完成芯片式單片機(jī)傳感器的批量標(biāo)定任務(wù)，對(duì)傳感器進(jìn)行溫漂補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償處理，從而實(shí)現(xiàn)芯片式壓力傳感器產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)。

1 芯片式壓力傳感器

芯片式壓力傳感器是將電橋傳感器電路、前端模擬處理電路和信號(hào)調(diào)理處理器等集成在一個(gè)微小的芯片中，它能夠?qū)ξ⑷醯碾姌蛐盘?hào)進(jìn)行放大，再通過(guò)處理器進(jìn)行線性化和溫度偏移補(bǔ)償處理，從而消除溫漂誤差和非線性誤差，這使得芯片壓力傳感器具有極高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)組成

IDT公司芯片傳感器的主要組成模塊為：傳感器電橋、模擬前端、數(shù)字內(nèi)核、輔助模塊、輸出接口等，如圖1所示。其中，模擬前端包括內(nèi)置溫度傳感器、傳感器連接測(cè)量、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)、增益選擇PGA、輸入選擇MUX等；數(shù)字內(nèi)核包括調(diào)理處理器、非易失存儲(chǔ)器NVM、RAM、ROM；輸出接口包括AOUT模擬信號(hào)、OWI單線通信復(fù)用輸出接口，輔助模塊有電源管理、I2C和過(guò)壓保護(hù)。

圖1 芯片式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)組成

在正常測(cè)量狀態(tài)下，傳感器的基本工作過(guò)程是將橋式傳感器的模擬信號(hào)先經(jīng)過(guò)增益放大，再經(jīng) ADC轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)傳給調(diào)理微處理器；調(diào)理微處理器使用片上NVM的校準(zhǔn)系數(shù)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償與校正處理，實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度漂移、二階非線性誤差補(bǔ)償，最后將調(diào)理好的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter,DAC)轉(zhuǎn)換輸出模擬信號(hào)。

1.2 標(biāo)定原理

在一般情況下，橋式壓力傳感器的靈敏度輸出響應(yīng)可以采用溫度T與壓力P的二次多項(xiàng)式函數(shù)模型近似表示[8,9]

Vbr(P,T)=n0+n1T+n2T2+(n3P+n4P2)×

(1+n5T+n6T2)

(1)

式中Vbr為橋式傳感器輸出的電壓輸出量，從理論角度上看，它是關(guān)于壓力與溫度的多項(xiàng)式函數(shù)，主要包含n0～n6模型系數(shù)。由式(1)可知，橋式壓力傳感器的輸出響應(yīng)與二階溫度偏移量、二階溫度增益量相關(guān)，因而存在溫度漂移誤差和非線性輸出誤差。在標(biāo)定過(guò)程中，通過(guò)建立溫度增益補(bǔ)償多項(xiàng)式、溫度偏移補(bǔ)償多項(xiàng)式和壓力多項(xiàng)式，實(shí)現(xiàn)誤差消除處理。

溫度偏移補(bǔ)償二次多項(xiàng)式為

BR_TC_offset=n2·T2+n1·T1+n0

(2)

溫度增益補(bǔ)償二次多項(xiàng)式為

BR_TC_gain=n5·T2+n4·T1+n3

(3)

壓力標(biāo)定三次多項(xiàng)式為

Y=(BR_AZC+BR_TC_offset)/BR_TC_gain

P_cal=n9·Y3+n8·Y2+n7·Y1+n6

(4)

式中BR_AZC為經(jīng)過(guò)調(diào)零后對(duì)應(yīng)的傳感器電橋電壓值，Y為經(jīng)過(guò)溫度增益補(bǔ)償和溫度偏移補(bǔ)償歸一化處理的中間量，P_cal為經(jīng)過(guò)三次非線性補(bǔ)償后壓力量。

為了計(jì)算上述多項(xiàng)式的標(biāo)定系數(shù)，標(biāo)定系統(tǒng)需要對(duì)溫度和壓力進(jìn)行多次測(cè)量和標(biāo)定，具體過(guò)程可以分為三個(gè)階段：低溫標(biāo)定、常溫標(biāo)定和高溫標(biāo)定，各階段和工序劃分如表1所示。

表1 基于二次溫度增益和補(bǔ)償?shù)娜味囗?xiàng)式壓力的測(cè)量與標(biāo)定

由表1可知，在低溫標(biāo)定階段中需要測(cè)量溫度T和壓力P1,P2；常溫標(biāo)定需要測(cè)量溫度T和壓力P1～P5；高溫標(biāo)定需要測(cè)量溫度T和壓力P1,P2。表1中的壓力值、溫度值均是數(shù)字量，暫存于芯片RAM中，用于后續(xù)標(biāo)定參數(shù)的計(jì)算。

1.3 調(diào)理過(guò)程

在正常工作模式下，傳感器的調(diào)理微處理器對(duì)原始電橋壓力信號(hào)的數(shù)字測(cè)量值進(jìn)行調(diào)理處理輸出對(duì)應(yīng)的線性化模擬信號(hào)。調(diào)理過(guò)程如下：

1)調(diào)零補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)電橋傳感器信號(hào)的自動(dòng)零補(bǔ)償計(jì)算，BR_AZC=BR-BR_AZ；其中,BR,BR_AZ分別為電橋傳感器的測(cè)量電壓和調(diào)零補(bǔ)償電壓，目的是消除了零點(diǎn)漂移。

2)歸一化處理，目的是消除了傳感器和前端模擬輸入電路的溫度相關(guān)偏移量和增益量。即

BR_TC_offset=2-40·a1·T2+2-25·b1·T1+2-9·c1

BR_TC_gain=2-40·a2·T2+2-25·c2·T1+2-9·c2

Y=214×(BR_AZC+BR_TC_offset)/BR_TC_gain

其中,a1,b1,c1分別為多項(xiàng)式(2)中n2，n1，n0的轉(zhuǎn)換數(shù)字量；a2，b2，c2分別為多項(xiàng)式(3)中n5，n4，n3的轉(zhuǎn)換數(shù)字量。

3)執(zhí)行壓力主多項(xiàng)式計(jì)算，依照多項(xiàng)式(4)計(jì)算得到標(biāo)定測(cè)量值BR_lin，有

BR_lin=2-56·a·Y3+2-41·b·Y2+2-25·c·Y1+

d·2-9

其中,參數(shù)a,b,c,d分別對(duì)應(yīng)多項(xiàng)式(4)中n9,n8,n7,n6的轉(zhuǎn)換數(shù)字量。

4)輸出參考偏移和增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)定測(cè)量的數(shù)據(jù)BR_lin進(jìn)行參考偏移和增益調(diào)整處理,有

BR_post_cal=214×(BR_lin+BR_offset_after_cal)/

BR_gain_after_cal)

其中,BR_offset_after_cal,BR_gain_after_cal分別為參考偏移和增益參數(shù)。

5)濾波與鉗位輸出，通過(guò)平滑濾波輸出BR_IIR并對(duì)其鉗位輸出BR_AOUT，限制調(diào)理器的DAC輸入信號(hào)的輸出范圍。

6)模擬信號(hào)輸出，BR_AOUT經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換輸出模擬電壓量。

圖2顯示了上述對(duì)應(yīng)的標(biāo)定和調(diào)理流程圖。

圖2 傳感器的調(diào)理流程

標(biāo)定過(guò)程將三個(gè)多項(xiàng)式的標(biāo)定系數(shù)n0～n9寫(xiě)入芯片傳感器NVM中；調(diào)理過(guò)程是將n0～n9和其它調(diào)理參數(shù)從NVM中讀取出來(lái)以便恢復(fù)三個(gè)補(bǔ)償多項(xiàng)式，用于電橋信號(hào)的補(bǔ)償調(diào)理。電橋信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、零點(diǎn)漂移、溫漂補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償?shù)日{(diào)理處理，最終輸出的信號(hào)具有良好的穩(wěn)定性和線性精度，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

2 標(biāo)定平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

2.1 平臺(tái)組成

標(biāo)定平臺(tái)以IDT公司提供的傳感器信號(hào)調(diào)理通信板(sensor signal conditioner communication board，SSCCB)、批量標(biāo)定板(mass calibration board，MCB)、傳感器設(shè)備單元(device unit terminal，DUT)為基礎(chǔ)，以PC端上位機(jī)為核心，集成了現(xiàn)場(chǎng)PLC控制單元、調(diào)溫調(diào)壓設(shè)備和平臺(tái)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了傳感器的批量自動(dòng)化配置、測(cè)量、標(biāo)定和檢測(cè)等工作。

如圖3所示，標(biāo)定平臺(tái)主要包括以下幾個(gè)部分：1)SSC通信板：連接PC端上位機(jī)，接收其操控指令并將指令轉(zhuǎn)發(fā)給批量標(biāo)定MCB板通信。2)MCB：接收SSC通信板的指令，連接傳感器單元DUT，對(duì)其進(jìn)行上電、芯片讀寫(xiě)操作。3)傳感器單元DUT：用于批量標(biāo)定的芯片式壓力傳感器。4)PC端上位機(jī)：按照IDT接口、通信命令協(xié)議，連接和管理SSC通信板和MCB，實(shí)現(xiàn)DUT的初始化配置、測(cè)量、計(jì)算、標(biāo)定等操作。此外，它采用串口通信方式控制輔助標(biāo)定設(shè)備。5)輔助標(biāo)定設(shè)備：包括PLC控制單元、變溫烘箱、可調(diào)氣壓源、控制工作臺(tái)等機(jī)械控制設(shè)備。

圖3 標(biāo)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

2.2 標(biāo)定流程

批量標(biāo)定是將低溫(-20 ℃)、常溫(25 ℃)、高溫(80 ℃)三個(gè)標(biāo)定階段細(xì)分為多個(gè)壓力測(cè)量工序(見(jiàn)表1)，在每個(gè)工序中一次性地進(jìn)行多只傳感器DUT的壓力測(cè)量任務(wù)，并將壓力測(cè)量值和工序狀態(tài)保存于DUT的NVM存儲(chǔ)單元中。當(dāng)完成所有的測(cè)量工序以后，最后進(jìn)行標(biāo)定模型補(bǔ)償多項(xiàng)式系數(shù)計(jì)算，獲得標(biāo)定和調(diào)理參數(shù)，并將其刷寫(xiě)于NVM中保存完成批量標(biāo)定。

批量標(biāo)定的基本流程如下：1)連接標(biāo)定設(shè)備，實(shí)現(xiàn)PC端上位機(jī)與SSC通信板和MCB標(biāo)定設(shè)備的通信連接和狀態(tài)檢測(cè)；2)DUT初始化，將應(yīng)用配置、芯片工作等初始化參數(shù)等寫(xiě)入DUT的NVM，實(shí)現(xiàn)DUT標(biāo)定初始化；3)低溫標(biāo)定，批量放置DUT于低溫箱中，完成P1，P2，T的測(cè)量，并將測(cè)量值寫(xiě)入DUT的NVM中保存；4)常溫標(biāo)定，批量放置DUT于常溫箱中，完成P1，P2，P3，P4，T的測(cè)量，并將測(cè)量值寫(xiě)入DUT的NVM中保存；5)高溫標(biāo)定，批量放置DUT于高溫箱中，完成P1，P2，T的測(cè)量，并將測(cè)量值寫(xiě)入DUT的NVM中保存；6)判斷DUT的標(biāo)定狀態(tài)，如果步驟(3)～步驟(5)完成，PC端上位機(jī)計(jì)算補(bǔ)償多項(xiàng)式的系數(shù)；7)保存多項(xiàng)式系數(shù)和調(diào)理參數(shù)于NVM存儲(chǔ)單元中，依次完成DUT標(biāo)定。

3 結(jié) 論

芯片傳感器產(chǎn)品在出廠前需要通過(guò)標(biāo)定平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定生產(chǎn)，其目的是構(gòu)建傳感器的溫度漂移、非線性誤差的補(bǔ)償模型。在正常工作狀態(tài)下，微處理器使用這些補(bǔ)償模型進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，最終將壓力量轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確、穩(wěn)定的電壓輸出信號(hào)。在標(biāo)定生產(chǎn)中，單個(gè)傳感器標(biāo)定的一般包括低溫、常溫和高溫三個(gè)階段，每個(gè)階段包括多次壓力測(cè)量工序，因而整個(gè)標(biāo)定過(guò)程繁瑣、冗長(zhǎng)。本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了批量標(biāo)定生產(chǎn)平臺(tái)，在一個(gè)工序階段可以同時(shí)對(duì)多只傳感器進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定。本標(biāo)定平臺(tái)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中極大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，降低了成本。