智能传感器系统性能要求及温度补偿方法

常规气压测量仪的传感器部分与数据采集系统分离，抗干扰能力差，常被测物体压力变化快。所以，系统不仅要求数据吞吐速度快，而且要适应复杂多变的工业环境，具有良好的抗干扰能力，自我检测和数据传输能力。

利用扩展灵活性，可实现单片系统(SoC)，同时具有多种IP核可使用等优点，设计了能控制多模拟开关、A/D转换、快速数据处理和传输、误差校正、温度补偿的智能传感器系统，将传感器与数据采集处理控制系统相结合，使系统更紧凑，提高系统适应工业现场的能力。

1系统性能和组件。

1.1智能传感器系统的性能要求。

感应器压力测量范围：0~5MPa系统精度：±0.1%FS1通道模拟电压输入(压力信号)250sampies/通道/s以上串行RS232C接口输出。

1.2系统的主要部件和性能。

根据系统精度指标的要求选择设备。

该芯片选用了Altera的CycloneⅡEP2C5，其逻辑单元有4608个LE,26个M4KRAM块，142个I/O引脚。

PDCR130W，压力范围0~7兆帕，工作电压DC10~30伏，输出0~10伏，精度0.05%FS，使用温度范围-40~+125℃，温度影响0.015%FS/℃。

LM35采用高精度集成温度传感器，灵敏度10mV/K，精度1℃，温度范围-40~+100℃。

A/D转换器选择样品保持器的12位A/D转换器AD1674，转换时间为10μs、0~10V单极输入或±5V双极输入，可以并行输出12位。

多路模拟开关采用四路模拟开关AD7502，其引脚设置为EN=1的能源信号A1A0引脚为通道选择信号。

输出平转换接口系统使用MAX232芯片完成TTL和RS232C平转换。

二是系统误差校正方法。

2.1零点漂移和增益误差的校正方法。

在智能仪器中，误差模型的误差校正如下。

公式：b1和b0是误差校正因素。图1显示了误差校正回路模型，其中x为测量信号的y为系统输出，k为影响系统的未知数量。

误差校正过程如下:

S1关闭时，x=0根据误差校正公式获取公式(2)，用于系统零点校正。

当S2关闭时，x=E(标准电压)获公式(3)用于校正系统增益误差。

联合式(2)、式(3)可获得误差校正因素。

实际测量时，S3关闭，使用计算的误差校正因子和误差校正公式(1)，可以要求校正后的输出信号y。重新设置图像尺寸，以防止损坏表{varw=$(Id).widthvarm=650if(w)。

2.传感器温度补偿方法。

环境温度对测量结果的影响很大，为了消除温度引起的误差，需要对传感器信号进行温度补偿。通过测量传感器的工作温度来补偿传感器的温度。传感器的温度误差校正模型如下。

在公式中:y是测量值yc通过温度补偿后的测量值△φ是传感器实际工作温度与标准测量温度的差异a0是校正温度变化引起的传感器标准变化系数，a1是校正温度引起的传感器零位移变化系数，反映了传感器的温度特性。

2.3消除随机误差的方法。

该系统采用算术平均数字过滤法消除系统随机误差，连续n个取样值取算术平均值，数学表现如下。

适用于带有随机干扰信号的滤波器。

三是系统硬件结构设计。

根据系统误差校正和温度补偿方法，系统硬件连接结构。模拟多路开关AD7502的4个输入通道为A1A0=00，选择S0，S0通道接地，用于零漂移校准；A1A0=01，选择S1，S1通道+5V(AD1674最大输入电压的50%)，用于增益误差校正；A1A0=10，选择S2，S2通道连接温度测量信号，用于传感器的温度补偿；A1A0=11，选择S3，S3通道连接压力测量信号。通道选择通信号A0，A1由芯片中的DAS_A0和DAS_A1引脚控制。

A/D转换器AD1674在系统中采用独立的工作模式，其控制引脚设置为CE和12/8连接高电平的CS和A0连接低电平。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。FPGA芯片中的DAS_S、DAS_RC、DAS_IN、DAS_AS_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ADA1674的工作时序转换和AD7502的通道选择。

3.1实现SoC结构。

SoPC设计由CPU、内存界面、标准外部设置和用户定制逻辑单元模块组成。Altera的SoPCBuilder工具提供了大量的IP核调用，可以简单地将Noisiii处理器的软核嵌入单片FPGA芯片单片RAM和RS232控制器扩展单片外存，用户可以自动定制逻辑单元

3.2实现数据采集控制单元。

数据采集系统(DAS)控制单元是整个系统的核心，其输入端口及其功能:DAS_STS用于接收AD1674的STS状态信号；DAS_IN(12位)用于接收AD1674并行12位转换输出；CLK、RST用于系统钟表和RESET信号。输出端口DAS_RC连接AD1674的R/C端用于控制A/D转换器的启动和读取数量的DAS_A用于控制AD7502的A1A0通道选择信号的DAS_OUT(加通道编号为16位)作为DAS控制单元的16位输出数据。

DAS控制单元有限状态机（FSM）有四种状态，即St0、St1、St2、St3。St0是选择通道，启动A/D转换，进入St1状态的St1等待转换结束。如果转换结束，进入St2状态，则保持在St1状态；St2是发出阅读数据信号，进入St3状态；St3是输出转换数据；选择其他渠道，返回St0状态。

3.3智能传感器系统软件的工作流程。

系统中的误差校正和温度补偿由系统软件控制。系统软件由SoPCBuilder工具中的软件开发工具(SDK)开发。系统软件流程如图5所示。

系统通电初始化启动DAS控制单元，选择每个通道，消除每个通道的随机误差，然后根据校正的0通道和1通道的数值，实时计算误差校正因子，根据误差校正公式（1）实时校正零点漂移校正和增益误差，通过测量获得传感器的工作温度，计算与标准温度的差异，通过检测表获得传感器的温度变化系数，最后根据温度补偿公式（5）校正测量压力数据，输出数据。

四个结论。

在系统设计过程中，充分利用FPGA构建系统灵活、软硬件开发相结合的特点，在满足系统性能的基础上，合理分配软硬件功能，简化系统设计。FPGA将以往单芯片实现的系统放入单芯片中，大大提高了系统的稳定性和可靠性，提高了系统对工业厂房干扰的抵抗力。

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