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智能传感器性能要求与传感器温差补偿方法

时间:2021-04-22 点击次数:

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。


智能传感器性能要求与传感器温差补偿方法(图1)

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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