彭軍皓，蔣　慶，湯建斌，周喬軍

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)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(qiáng)、精度高、體積小、微功耗和高性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)，它在航空、航天、醫(yī)療、生物和海洋工程等各個(gè)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(wèn)題，其中溫度漂移對(duì)傳感器精度影響最大[2-4]。因此，實(shí)現(xiàn)傳感器批量化自動(dòng)溫度補(bǔ)償是一件非常重要工作。

目前，傳感器的溫度補(bǔ)償方案有很多種[5-8]，文中針對(duì)集成一體化的傳感器設(shè)計(jì)了一種基于MAX1452信號(hào)調(diào)理芯片，以計(jì)算機(jī)為通信終端的多路傳感器自動(dòng)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以一次補(bǔ)償80只傳感器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主要由5部分組成：計(jì)算機(jī)、高低溫實(shí)驗(yàn)箱、精密壓力控制器、多路校準(zhǔn)模塊和待補(bǔ)償?shù)膫鞲衅?。其中待補(bǔ)償?shù)膫鞲衅魇怯裳a(bǔ)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(lái)給傳感器提供所需的標(biāo)準(zhǔn)壓力；高低溫實(shí)驗(yàn)箱溫度范圍為-50～150 ℃，控制精度0.1 ℃，它為傳感器提供各補(bǔ)償點(diǎn)所需的環(huán)境溫度；多路校準(zhǔn)模塊可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與各個(gè)傳感器之間的通訊和數(shù)據(jù)采集。待補(bǔ)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(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)送指令控制實(shí)現(xiàn)的。

整個(gè)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為控制核心，與精密壓力控制器、高低溫實(shí)驗(yàn)箱和待補(bǔ)償傳感器實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(bǔ)償相比,可以實(shí)現(xiàn)一次對(duì)80只傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高了工作效率。

2　硬件部分設(shè)計(jì)

2.1傳感器補(bǔ)償電路

傳感器補(bǔ)償電路是傳感器的重要組成部分，也是整個(gè)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。它主要由1個(gè)MAX1452和1個(gè)GM6155組成，如圖2所示。MAX1452作為補(bǔ)償電路的核心，是一款高度集成的信號(hào)調(diào)理芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括1個(gè)16級(jí)可編程增益放大器(PGA)、1個(gè)768字節(jié)的內(nèi)部EEPROM、4個(gè)16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、1個(gè)8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、1個(gè)內(nèi)嵌的溫度傳感器以及用于橋傳感器溫度補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償修正[9]。MAX1452通過(guò)串行數(shù)字輸入/輸出口(DIO)通信結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備通訊，并最終將補(bǔ)償后信號(hào)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(bǔ)償電路

2．2多路校準(zhǔn)模塊

每個(gè)未補(bǔ)償傳感器要得到正確的補(bǔ)償系數(shù)，都需要在多個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)計(jì)算，其中補(bǔ)償過(guò)程中，高低溫實(shí)驗(yàn)箱升降溫和保溫需要時(shí)間最長(zhǎng)，為了彌補(bǔ)單個(gè)補(bǔ)償造成大量人力與時(shí)間浪費(fèi)，設(shè)計(jì)了多路校準(zhǔn)模塊。

多路校準(zhǔn)模塊是計(jì)算機(jī)與待補(bǔ)償傳感器之間通訊橋梁，也是實(shí)現(xiàn)多路補(bǔ)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(jī)，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(jī)I/O口與MAX1452補(bǔ)償電路 DIO端相連，實(shí)現(xiàn)跟傳感器之間信息實(shí)時(shí)交換。

(2)片選模塊采用5個(gè)16位復(fù)用器74HC4067并聯(lián)的方式組成。74H4067是16選1模擬開(kāi)關(guān)，單片機(jī)通過(guò)它來(lái)控制具體某一通道的傳感器被補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)80個(gè)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(lái)采集各個(gè)傳感器模擬信號(hào)輸出。

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

(5)電源模塊將外部220 V AC電源通過(guò)開(kāi)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(jī)和其他集成芯片提供電源。

3　軟件部分設(shè)計(jì)

3．1上位機(jī)軟件

系統(tǒng)上位機(jī)軟件利用Visual Bisic6．0作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用模塊化編程的思想設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊，各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，整個(gè)軟件模塊框圖如圖4所示。

圖4　軟件設(shè)計(jì)框圖

上位機(jī)軟件主要功能包括串口通訊設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、補(bǔ)償校準(zhǔn)、顯示輸出和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。串口通訊設(shè)置通過(guò)VB軟件自帶的MSComm控件完成計(jì)算機(jī)與高低溫實(shí)驗(yàn)箱、精密壓力控制器和多路校準(zhǔn)模塊通訊，通過(guò)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(duì)待補(bǔ)償傳感器零點(diǎn)壓力、滿量程壓力、輸出上下限和補(bǔ)償溫度等參數(shù)的設(shè)定；補(bǔ)償校準(zhǔn)是根據(jù)待補(bǔ)償傳感器的信息計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)，完成傳感器補(bǔ)償過(guò)程；顯示輸出是在補(bǔ)償過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示被測(cè)傳感器的溫度壓力情況并監(jiān)測(cè)其輸出信號(hào)，標(biāo)記補(bǔ)償狀態(tài)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是記錄補(bǔ)償過(guò)程中各個(gè)溫度點(diǎn)補(bǔ)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(gè)部分，通訊部分包括計(jì)算機(jī)與傳感器，采集部分實(shí)時(shí)采集各傳感器的信號(hào)輸出。多路校準(zhǔn)模塊上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化完畢后等待上位機(jī)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(jī)返回“成功”信號(hào)。多路校準(zhǔn)模塊只有對(duì)工位選擇完成后，才能對(duì)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(cè)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(jī)；如果該指令MAX1452沒(méi)有回碼，則發(fā)送完畢后直接向上位機(jī)返回“成功”。

4　自動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程

自動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程主要分為預(yù)校準(zhǔn)和正式補(bǔ)償2個(gè)部分。預(yù)校準(zhǔn)過(guò)程是在常溫下進(jìn)行，根據(jù)傳感器壓力芯體的輸出信號(hào)和設(shè)定的輸出目標(biāo)，計(jì)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(bǔ)償前輸出信號(hào)與目標(biāo)值比較接近，確保正式補(bǔ)償?shù)捻樌M(jìn)行。如果預(yù)校準(zhǔn)失敗，則該工位傳感器不能進(jìn)行正式補(bǔ)償，即補(bǔ)償失敗。

正式補(bǔ)償是一個(gè)微調(diào)的過(guò)程，系統(tǒng)在設(shè)定好的溫度點(diǎn)下調(diào)節(jié)傳感器的偏移量和跨度，計(jì)算出設(shè)定溫度點(diǎn)下的補(bǔ)償系數(shù)，通過(guò)最小二乘法擬合出其他未補(bǔ)償溫度點(diǎn)補(bǔ)償系數(shù)，最后將所有溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)寫入MAX1452的EEPROM中，實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償。正式補(bǔ)償中，MAX1452可以設(shè)定1～114個(gè)待補(bǔ)償溫度點(diǎn)，如果選取補(bǔ)償溫度點(diǎn)過(guò)多，則工作時(shí)間長(zhǎng)且效率不高，如果選取補(bǔ)償溫度點(diǎn)過(guò)少，則補(bǔ)償精度不能滿足，所以要根據(jù)產(chǎn)品精度要求設(shè)定補(bǔ)償溫度點(diǎn)的個(gè)數(shù)。自動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程圖如圖5所示。

圖5　自動(dòng)補(bǔ)償過(guò)程

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證該溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償精度，選擇物理量程為0～4.0 MPa，工作溫度范圍為-30～90 ℃，補(bǔ)償后要求輸出電壓為0.5～4.5 V的傳感器作為待補(bǔ)償傳感器。實(shí)驗(yàn)中選取-30 ℃、0 ℃、30 ℃、60 ℃、90 ℃ 5個(gè)溫度點(diǎn)作為溫度補(bǔ)償點(diǎn)。預(yù)校準(zhǔn)和正式補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償后不同溫度點(diǎn)下零點(diǎn)、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(diǎn)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(wèn)題嚴(yán)重，不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求；傳感器在正式補(bǔ)償后，不同溫度點(diǎn)下零點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)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(yǔ)

針對(duì)壓阻式傳感器受溫度影響比較大，文中利用MAX1452信號(hào)調(diào)理芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)完整的多路自動(dòng)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制溫度、壓力，利用多路校準(zhǔn)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)一次補(bǔ)償80只傳感器，使補(bǔ)償節(jié)拍提高了多倍，節(jié)約了大量時(shí)間和人力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)系統(tǒng)補(bǔ)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(bǔ)償精度達(dá)到0.4％，能夠滿足生產(chǎn)實(shí)際需要。

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