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FPGA在智能压力传感器系统中的应用

作者:时间:2009-09-24来源:网络收藏
0 引 言
传统气体测量仪器的部分与数据采集是分离的,抗干扰的能力较差,并且通常被测对象的变化较快。因此不仅要求具有较快的数据吞吐速率,而且要能够适应复杂多变的工业环境,具有较好抗干扰性能、自我检测和数据传输的功能。
在此,利用具有扩展灵活,可实现片上(SoC),同时具有多种IP核可供使用等优点,设计了能够控制多路模拟开关、A/D转换、快速数据处理与传输、误差校正、温度补偿的系统;同时将与数据采集处理控制系统集成在一起,使系统更加紧凑,提高了系统适应工业现场的能力。

1 系统性能及元器件
1.1 系统性能要求
测量范围:0~5 MPa;系统精度:±0.1%FS;1通道模拟电压输入(压力信号)大于250 sampies/通道/s;采用串行RS 232C接口输出。
1.2 系统主要元器件及性能
根据系统的精度指标的要求选择器件:
芯片 选用Altera的CycloneⅡEP2C5,其逻辑单元有4 608个LE,26个M4K RAM块,142个用户I/O引脚。
压力传感器 采用PDCR130W,压力范围0~7 MPa,工作电压直流10~30 VDC,输出0~10 V,精度±0.05%FS,使用温度范围-40~+125℃,温度影响±0.015%FS/℃。
温度传感器 采用高精度集成温度传感器LM335,其灵敏度为10 mV/K,精度为1℃,温度范围-40~+100℃。
A/D 选择内含采样保持器的12位A/DAD1674,其转换时间为10 μs,0~10 V单极输入或±5 V双极输入,可并行12位输出。
多路模拟开关 采用四选一多路模拟开关AD7502,其引脚设置为EN=1的使能信号;A1A0引脚为通道选择信号。
输出电平转换接口 系统使用MAX232芯片完成TTL和RS 232C电平的转换。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/152333.htm

2 系统误差校正方法
2.1 零点漂移和增益误差的校正方法
仪表中,误差模型的误差校正公式为:


式中:b1和b0为误差校正因子。误差校正电路模型如图1所示,其中x为被测信号;y为系统输出;ε,k,i为影响系统的未知量。

误差校正过程为:
当S1闭合时,x=0,依据误差校正公式得到式(2),用于系统零点校准;


当S2闭合时,x=E(标准电压),得到公式(3),用于系统增益误差校正;


联立式(2)、式(3)可得误差校正因子:


当进行实际测量时S3闭合,利用计算出的误差校正因子和误差校正公式(1),即可求出校正后的输出信号y。
2.2 传感器温度补偿方法
对压力传感器来说,环境温度对其测量结果有较大的影响,为了消除温度引起的误差,需要对传感器的信号做温度补偿。通过测量传感器的工作温度实现传感器温度的补偿。传感器的温度误差校正模型为:


式中:y为测量值;yc经温度补偿后的测量值;△φ为传感器的实际工作温度与标准测量温度之差;a0为校正温度变化引起的传感器标度变化系数,a1为校正温度引起的传感器零位漂移变化系数,这两个系数反映了传感器的温度特性。
2.3 随机误差消除方法
系统采用算术平均的数字滤波方法消除系统的随机误差,通过连续N个采样值取其算术平均值,得数学表达式为:


适合用于对具有随机干扰信号的滤波。


3 系统硬件结构设计
依据系统的误差校正和温度补偿方法,可得系统的硬件连接结构如图2所示。图2中模拟多路开关AD7502的4个输入通道分别为:A1A0=00,选通S0,S0通道接地,用于零点漂移校准;A1A0=01,选通S1,S1通道接+5 V(为AD1674最大输入电压的50%),用于增益误差校正;A1A0=10,选通S2,S2通道接温度测量信号,用于传感器的温度补偿;A1A0=11,选通S3,S3通道连接压力测量信号。通道选通信号A0,A1由芯片中的DAS_A0和DAS_A1引脚控制。

系统中A/DAD1674采用独立工作模式,其控制引脚设置为:CE和12/8接高电平;CS和A0接低电平。此时,AD1674设置为12位A/D转换,12位数据输出,其转换完全由R/C控制,如图2所示。当R/C=O时,启动12位A/D转换;当A/D转换结束时,状态信号STS=0,否则STS=1;当R/C=1时,读取12位A/D转换数据。R/C信号由FPGA芯片的DAS_RC控制。整个系统由基于FPGA的片上系统(SoC)控制。其中,FPGA芯片中的DAS_STS,DAS_RC,DAS_IN,DAS_A引脚为用户定制逻辑,即DAS控制单元的外部接口,用于控制AD1674的工作时序转换和AD7502的通道选择。

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