（机械电子工程专业论文）高精度智能传感器补偿与标定系统的研究与开发.pdf

学位论文版权使用授权书 f f i i r ll l r li riil i llr r r l l f rr r l r r f r l f r r l j f 、t18 9 4 5 4 0 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密面。 学位论文作者签名：i 习起 工0 1 1 年5 月o 同 指导教师签名： ；年 姓 2 0 1 1 年5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 硅压阻式压力传感器因具有高灵敏度、良好的线性度和动态响应特性而得以 广泛应用。但是由于传感器制造工艺的限制和硅材料的温度漂移特性，硅压阻式 压力传感器在宽温区工作时会产生较大的零点温度漂移误差和灵敏度温度漂移误 差，使用之前必须对其进行补偿。论文在分析研究现有补偿方法的基础上，提出 了使用压力传感器专用智能信号调理芯片z m d 3 1 0 5 0 对硅压阻式压力传感器的温 度误差进行补偿并同时实现标定的方案，设计开发了高精度智能压力传感器补偿 系统。 系统硬件方面，设计了三种以z m d 3 1 0 5 0 为核心的传感器信号调理电路；设 计了以m s c l 2 1 1 为核心的通信板卡电路，用于实现p c 机与z m d 3 1 0 5 0 之间的信 息交换，由基于2 4 位高精度一模数转换器的信号采集电路模块、1 2 c 接1 2 1 电路 模块、复位及保护电路模块、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 接口电路模块、基于p c b 干簧继电 器的多路接口切换模块和电源模块组成。 系统软件方面分为下位机软件设计、上位机软件设计和上下位机通信软件设 计。下位机程序以k e i lc 5 1 为开发工具，采用c 语言编写，紧密结合单片机的硬 件资源，使用模块化的设计思想，提高了代码的利用率。上位机以l a b w i n d o w s c v i 为开发平台，编制了基于w i n d o w s 操作系统的应用软件，对传感器补偿和标定的 全部过程都是通过操作应用软件的人机对话界面完成。在应用软件中，基于通信 板卡上的高精度模拟信号采集电路，并结合非线性校准算法，设计了虚拟的高精 度电压表模块，以辅助传感器的校准和标定；设计了访问a c c e s s 数据库的模块， 可方便的存储校准过程中产生的数据。上下位机通信采用了自行设计的通信协议， 采用自行定义的数据帧进行通信，加入多重校验，提高通信的稳定性。 为了提高系统运行的稳定性和可靠性，分别从软硬件两个方面采取一系列的 抗干扰措施，主要包括对电源和地的处理，印刷电路板的设计，“看门狗”技术和数 字滤波技术等。 经测试实验，系统虚拟电压表经校准之后，精度为0 0 5 ，满足系统要求；传 感器经过该系统补偿和校准后，有效地减小了零点温度漂移误差和灵敏度漂移误 差，智能压力传感器模块在2 5 8 0 温区上的综合误差为0 3 ，符合工业使用 高精度智能传感器补偿与标定系统的研究与开发 要求。 ： 关键词：压力传感器，z m d 3 1 0 5 0 ，温度补偿，m s c l 2 1 1 ，l a b w i n d o w s c 、仃 j 江苏大学硕士学位论文 p i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o r sa r ew i d e l yu s e db e c a u s eo fi t so u t s t a n d i n gf e a t u r e s o fh i g ha c c u r a c y , g o o dl i n e a r i t ya n dd y n a m i cr e s p o n s e b u td u et ot h em a n u f a c t u r i n g p r o c e s so fs e n s o r sa n dt h ed r i f to fs i l i c o n ，p i e z o r e s i s t i v ep r e s s u r es e n s o r sw o u l d h a v e e r r o r so fz e r ot h e r m a ls h i f ta n df u l l - s p a nt h e r m a ls h i f td u r i n go p e r a t i o ni nw i d e t e m p e r a t u r er a n g es ot h a tt h e ym u s tb ec a l i b r a t e db e f o r eb e i n gu s e d o nt h eb a s i so f a n a l y z i n gt h ep r e s e n tc o m p e n s a t i o nm e t h o d s ，t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e s t h es e n s o r s c a l i b r a t i o np l a no fu s i n ga p p l i c a t i o ns p e c i f i cc h i pz m d 31 0 5 0t oc o m p e n s a t et h e i re r r o r s a n dc a l i b r a t et h e ma sw e l l ，a n dt h ec o m p e n s a t i o ns y s t e m 丽t hh i 曲a c c u r a c yf o rs m a r t p r e s s u r es e n s o r si sd e s i g n e d f o rh a r d w a r ed e s i g n ，3t y p e so fc o n d i t i o n i n gc i r c u i t sa r ed e s i g n e db a s e do n z m d 3 1 0 5 0 t h ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e db yu s i n gm s c l 2 1 1w h i c hi sf o rt h e c o m m u n i c a t i o nb o a r db e t w e e np ca n dz m d 31 0 5 0 a n di tc o m p r i s e so fm o d u l e so f d a t a - a c q u i s i t i o nb a s e do n2 4 - b i t 卜aa d c ，1 2 ci n t e r f a c ec i r c u i t ，r e s e ta n dp r o t e c t i o n c i r c u i t s ，r s 2 3 2a n dr s 4 8 5i n t e r f a c ec i r c u i t s ，m u l t i p l es w i t c h i n gi n t e r f a c ec i r c u i t sb a s e d o nr e e dr e l a y s f o rs o f t w a r e d e s i g n ，t h e r e a r e d e s i g n s o fl o w e r - c o m p u t e r , p ca n dt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m t h el o w e r - c o m p u t e rp r o g r a m sa r ew r i t t e ni ncl a n g u a g e t a k i n gk e i lc 5 1a sd e v e l o p m e n tt o o l ，a n du s em o d u l ed e s i g nt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y p cp r o g r a m sa r ed e s i g n e dt or e a l i z et h ec o n v e r s a t i o nb e t w e e nm a c h i n ea n dh u m a n b e i n g s ，w h i c ha r e b a s e do nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e mt a k i n gl a b w i n d o w s c v i d e v e l o p m e n tp l a t f o r m v i r t u a lv o l t m e t e rw i t hh i g ha c c u r a c yi sd e s i g n e di ns o f t w a r e b a s e do nh i g ha c c u r a c ya n a l o gs i g n a lc i r c u i to nc o m m u n i c a t i o nb o a r dc o m b i n e dw i t h n o n 1 i n e a rc a l i b r a t i o na l g o r i t h m a c c e s sd a t a b a s em o d u l ei sd e s i g n e dt oc o n v e n i e n t l y s t o r ed a t af r o mc a l i b r a t i o np r o c e s s t h es e l f - m a d ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e np c a n dl o w e r - c o m p u t e ri sd e s i g n e dt ou s es e l f - m a d ed a t af r a m e st h a ta r ea d d e dw i t h m u l t i p l ec h e c k t oe n h a n c et h es t a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n t oi m p r o v es y s t e m ss t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , a n t i i n t e r f e r e n c es o l u t i o n sa r et a k e n f r o mb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，m a i n l yi n c l u d i n gm e a s u r e sf o rp o w e rs u p p l y a n dg r o u n dc o n n e c t i o n ，p c bd e s i g n ，w a t c hd o ga n dd i g i t a lf i l t e r i n g ，e t c i ne x p e r i m e n t ，t h ea c c u r a c yo ft h ev i r t u a lv o l t m e t e ri s0 0 5 t h a tr e a c h e st h e s y s t e m sr e q u i r e m e n t a f t e rb e i n gc a l i b r a t e d t h e c o m p e n s a t i o na n d c a l i b r a t i o n m 高精度智能传感器补偿与标定系统的研究与开发 e f f e c t i v e l yr e d u c ee r r o r so fz e r ot h e r m a ls h i f ta n df u l l s p a nt h e r m a ls h i f t , a n dt h e c o m p r e h e n s i v ee r r o ro fs m a r tp r e s s u r es e n s o rm o d d ei s0 3 b e t w e e n 2 5 a n d8 0 c i na o o o r d a n c , ew i t hi n d u s t r i a ln e e d k e y w o r d s ：p r e s s u r es e n s o r s ，z m d 3 1 0 5 0 ，t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，m s c l 2 1 1 ， l a b w i n d o w 刚c 烈 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 第 目录 l 1 1 课题研究的背景与意义1 1 2 国内外研究现状和发展趋势。2 1 2 1 硅压阻式传感器的工作原理及特性指标2 1 2 2 硅压阻式传感器的测量电路及温漂特性3 1 2 3 国外研究现状4 1 2 4 国内研究现状5 1 3 本课题开发方案。7 1 4 论文的主要工作及内容安排8 二章系统总体设计9 2 1 系统工作过程规划9 2 2 系统硬件总体结构设计。1 0 2 3 系统通信网络方式的规划1 l 2 4 本章小结1 2 第三章智能压力传感器模块的电路设计1 3 3 1z m d 3 1 0 5 0 介绍1 ：； 3 2 传感器应用模块电路设计。1 4 3 2 1 传感器为恒压激励模式时的电路设计1 4 3 2 2 传感器为恒流激励模式时的电路设计。1 6 3 2 3 信号为0 1 0 v 的模块电路设计。1 7 3 3 本章小结1 8 第四章通信板卡硬件设计一。1 9 4 1通信板卡的m c u 1 9 4 2 通信板卡与传感器的模拟接口电路设计2 0 4 2 1 模数转换前端接口电路设计2 0 4 2 2 模数转换电路设计2 1 4 3通信板卡与传感器的数字接口电路设计2 2 4 4 复位及保护电路设计2 3 4 5 通信板卡与p c 机接口电路设计2 4 4 5 1r s 2 3 2 接口电路2 4 4 5 2r s 4 8 5 接口电路2 5 4 6 接口切换模块电路设计。2 8 4 7 系统电源模块设计2 9 4 8 系统硬件抗干扰处理。3 1 4 8 1 干扰的来源。3 1 4 8 2 系统硬件抗干扰的处理3 1 v 高精度智能传感器补偿与标定系统的研究与开发 4 9 第五章 本章小结3 2 系统软件设计 5 1 下位机软件设计3 3 5 1 1开发语言及集成开发环境的选择3 3 5 1 2 下位机程序的模块化设计3 3 5 1 3 单片机主程序及初始化模块3 4 5 1 4 单片机任务处理程序3 6 5 1 5a d 采集程序3 8 5 2 上下位机通信程序设计4 0 5 2 1 上下位机通信协议设计4 0 5 2 2 上位机通信程序设计4 2 5 2 3 下位机通信程序设计4 3 5 3 上位机软件设计。4 4 5 3 1l a b w i n d o w s c 集成开发环境介绍4 4 5 3 2 上位机程序的模块化设计4 5 5 3 3 参数配置模块4 7 5 3 4 传感器校准和标定模块5 0 5 3 5 数据显示模块5 1 5 3 6 数据存储查询模块5 2 5 4 系统软件抗干扰的处理5 3 5 5 本章小结5 4 第六章系统实验测试5 5 6 1高精度电压表校准实验5 5 6 2 电压表校准结果及误差分析5 6 6 3 智能压力传感器模块的校准和标定实验步骤5 7 6 3 1 将输出信号标定为o - - 一5 v 5 7 6 3 2 将输出信号标定为0 、 i o v 5 8 6 4 智能压力传感器模块的补偿和标定结果5 9 6 5 本章小结6 3 第七章总结与展望。6 4 7 1 总结6 4 7 2 展望6 5 参考文献。6 6 j 【谢。6 8 攻读硕士期间发表的学术论文。卯 附录a 上位机软件的主要面板7 0 附录b 实物图。7 3 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1课题研究的背景与意义 信息技术已经成为当今科技的核心内容，当今世界是信息技术迅猛发展的时 代。传感器技术、通信技术和计算机技术组成了信息技术。对于信息技术而言， 计算机相当于人的大脑中枢，通信技术相当于人体的神经网络，而传感器就相当 于人体感受器官。传感器是感知对象和测控处理系统的窗口。没有传感器，信息 处理系统无疑就是瞎子和聋子，对信息的处理也就无从谈起。广义来说，传感器 就是感知外界信息并将其转化为一系列有规律的信号的装置。狭义来说，传感器 就是能够将自然界的物理量转化为电信号的电子装置。 新近提出的“物联网技术”，其终端设备就是传感器，首先必须通过传感器感知 外界信号，进而才能利用计算机技术和通信技术将转化后的信号进行传递和处理， 因此，传感器技术是将来高新技术的一个关键技术。2 1 世纪是一个电子信息的时 代，而传感器作为现代信息技术的三大支柱之一，必将有长足的发展。在众多传 感器中，压力传感器是应用最为广泛的传感器类型之一。近年来，随着微机电系 统( m e m s ) 技术的发展，硅压阻式压力传感器的生产水平日趋成熟，在工业中 得到越来越广泛的应用【1 1 。 但是，由于硅材料受温度影响较大，并且在传感器生产中存在一致性的问题， 致使硅压阻式传感器存在热零点漂移、热灵敏度漂移等误差，在实际使用当中， 必须对硅压阻式传感器信号进行补偿才可使用。传统的补偿方式是采用温度敏感 器件和分立模拟电子器件组成模拟补偿电路来进行补偿【2 】。但是该方式效率很低， 而且通用性较差，一般只能进行单个传感器的补偿，补偿的精度和成本成正比， 这一点限制了硅压阻式传感器的发展。 随着专用集成电路的发展，对压力传感器的温度补偿，人们逐渐开始从模拟 补偿方式转为模拟数字混合补偿方式，甚至是纯数字式补偿1 3 1 。经过数字式补偿的 传感器可以直接输出数字信号，从而实现了传感器的智能化，为传感器的网络化 奠定了基础。因此，为了满足当前压力传感器市场的需求，对传感器的智能化和 数字化补偿已是大势所趋【4 】，压力传感器的智能化和数字化补偿方式必将取代传统 的模拟器件补偿方式。 高精度智能传感器补偿与标定系统的研究与开发 1 2国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 硅压阻式传感器的工作原理及特性指标 硅压阻式传感器的物理基础是硅材料的压阻效应。压阻效应是指材料在受到 外界应力作用时，其电阻或者是电阻率发生变化的物理特性。压阻效应的发现是 在上世纪3 0 年代，当时发现流体的静压力对金属电阻有影响。从上世纪5 0 年代 开始，人们对半导体锗和硅的压阻效应开始进行研究。半导体材料在某一个方向 上承受应力时，它的电阻率会明显的发生改变。 任何材料的电阻率由下式决定( 5 】： 一d r ：塑- 1 1 - 丝一塑 ( 1 1 )一= 一 i1 1j r p ls 式中：r 为材料的电阻( q ) ；p 为材料的电阻率(e m m 2 m ) ；z 为材料的长度 ( m ) ；s 为材料截面积( m m 2 ) 。由s = 胛2 ( ，为材料的半径) ，得： 搬= 2 ，r r d r d s ：2 d r ( 1 2 ) 一一 。 1 厶 sr 令关= 孚为轴向应变，= 尘r 为径向应变；材料受拉时，沿轴向伸长而沿径向缩 短。其关系为： 白2 一脱 ( 1 3 ) 式中为材料泊松系数；将式( 1 2 ) 、式( 1 3 ) 代入式( 1 1 ) ，得： 百d r = ( 1 + 2 胀+ 警 ( 1 4 ) 令塑= 砸= 砸氕，万为压阻系数，盯为应力，e 为弹性模量，则式( 1 4 ) 便为： p i d r ：砸+ ( 1 4 - 2 ) 色：施色4 - ( 1 + 2 p ) 文：七 ( 1 5 ) r 、“。“、“4 ” 式中，k = 1 + n - e + 2 为灵敏度系数，对金属材料来说，n e 有时可以忽略不计， 泊松系数= 0 2 5 , - 。0 5 ，近似的有k = l + 2 z = 1 2 。而对于硅半导体材料来说， 1 + 2 t 可以忽略不计，而压阻系数7 = ( 4 0 - - 一8 0 ) 1 0 1 1 2 m n ，弹性模量e = i 6 7 1 0 “n m 2 ：所以恕( 5 0 - 1 0 0 ) k 。由此可见，相对于金属材料来说，硅材料的灵敏 度屯要比金属材料的灵敏度k 高出一到两个数量级。所以高灵敏度是硅压阻式传 2 江苏大学硕士学位论文 感器的一个最为突出的特点，在某些场合，信号不需要放大就可以直接使用。硅 压阻式传感器的另一个优点就是分辨率相当高。 可以用传感器常用的特性指标来表征一个传感器性能的优劣，对于硅压阻式 传感器，主要的指标有线性度、零点误差、灵敏度、温漂和精度掣6 l 。 线性度是测出的输入一输出校准曲线和某一选定的拟合直线的不符合程度。 一般用相对误差表示线性度的大小，即传感器的正、反行程平均校准曲线与拟合 直线的最大偏差的绝对值与净输出的百分比。 温漂是指温度变化时传感器输出信号的偏离程度，一般以温度每变化i c 输出 信号的最大偏离误差与其净输出之比来表示。 零点漂移误差。传感器在零点输入时，计算每隔一段时间的读数偏差，该偏 差的绝对值与净输出的百分比即为零点漂移误差。硅压阻式传感器的零点漂移误 差一般由温度变化引起。 灵敏度是指传感器的输出增量与输入增量的之比。硅压阻式传感器的灵敏度 受温度影响较大，一般会产生灵敏度温度漂移。 精度是反应系统误差和随机误差的综合误差指标。一般使用工业上仪表精度 的精度来给出传感器的精度，它是指在测量范围内，测量值与真实值之差的最大 值和与传感器的净输出的百分比。 1 2 2 硅压阻式传感器的测量电路及温漂特性 压阻式传感器的测量电路是由四个力敏电阻组成的惠斯更电桥，如图1 1 所示 川。其中，u 为桥路激励电压，u + 为信号输出正极，u 一为信号输出负极，差分 信号经过仪表放大器被放大到工业上可以使用的标准信号，r 1 - r 4 为四个桥臂电 阻，高阻态桥阻一般为3 艘5 k q 。图1 1 所示情况为恒压激励，传感器的零位输 出为： 砜= + ) 一_ ) = 【，鬲等i _ 一蒯r 2 ( 1 6 ) 当传感器感受到压力变化时，传感器的四个力敏电阻会发生形变，导致四个 桥臂电阻值发生变化，此时信号输出为： u = u ( 尺4 + r 4 r 3 一r 3 + r 4 + r 4r i 尺2 一丝2 + r 1 + r 2 一r 2 理想状况下，戤= 尺2 2 尺3 = r 4 = r ，蛹= a r 2 = a r 3 = a r 4 = a r ，故u o = 0 ， 3 高精度智能传感器补偿与标定系统的研究与开发 u ：竽u 。但是，由于制造工艺的限制，四个桥臂电阻不可能做的完全一样，或 1 r 者某些应用场合需要将传感器的零位设置为某个数值，故传感器的零位输出一般 不为零。 图i i 压阻式传感器测量电路 f i g i 1c k c u i to fm e a s u r e m e n n to fp i e z o r e s i s t i v e l k q o r 由于硅材料的载流子迁移率、电阻率、压阻系数和p n 结特性等都和温度相关， 所以硅材料对温度特别敏感，硅压阻式传感器受温度因素的影响很大，会产生温 度漂移误差嗍。但实际中，希望传感器的输出特性仅与压力呈线性关系而与温度无 关，这便是硅压阻式传感器最大的弱点。压阻式传感器受温度影响，主要会产生 零点温度漂移和灵敏度温度漂移两种误差。 当外界温度发生变化的同时，电阻的压阻系数也会随着温度的变化而变化， 在一定的温度范围内，温度升高时压阻系数变小，温度降低时压阻系数变大。所 以温度升高时，传感器的灵敏度降低，温度降低时，传感器的灵敏度升高，也就 是说传感器具有负的灵敏度温度系数，这便是硅压阻式传感器的灵敏度温度漂移 误差产生的原因。而零点温度漂移误差是由于桥臂上的力敏电阻随温度的变化而 发生阻值变化引起的，在一定的温度范围内，电阻的阻值随着温度的上升而增加， 也即扩散电阻的温度系数为正值。 在实际应用中必须对硅压阻式传感器的零点温度漂移误差和灵敏度温度漂移 误差进行补偿才能充分利用到半导体压阻效应的高灵敏度的优点，从而得到高的 测量精度。 1 2 3 国外研究现状 在对压阻式压力传感器的温度误差补偿这一领域，国外一直走在前列，早在 4 江苏大学硕士学位论文 很多年前就已经有人从事这方面的研究，并取得很大的进步。例如，美国著名的 传感器公司k u l i t e 公司就基于相关补偿方法研制出了一套补偿系统，但是该系统 要与一台专用的计算机捆绑销售，价格十分昂贵，每台售价大概3 5 万美元【9 】。 近年来，专用集成电路的成本不断下降，对于压阻式压力传感器的温度补偿， 已经逐渐从源头补偿改为后续信号调理补偿 4 1 1 1 0 l ，越来越多的趋向于研制集信号处 理、温度补偿于一体的压力传感器的专用芯片，并且已经量产，并成功的用于工 业生产当中。具有代表性的为美国m a x i m 公司的m a x l 4 x x 系列专用信号调理 芯片【1 1 】，德国z m d 公司的z m d 3 1 0 x x 系列高精度桥式压力传感器的专用信号调 理芯片。该类芯片是利用软件补偿的思想，将前端传感器抽象为一个数学模型， 在检测压力的同时，通过温度传感器检测环境温度，并经过a d 转换，然后从预 先设置好的参数存储器中取出对应的修调系数对温度信号和压力信号按相关的数 学模型进行信息融合，对压力信号进行修调，最后经过d f a 转换，以模拟量输出。 该类芯片的最大特点就是集成度高，压力传感器的毫伏级小信号经其调理之后， 直接成为工业上使用的标准信号，无需附加器件。 伴随着压力传感器专用信号调理芯片的出现，具有数字接口的高精度智能压 力传感器也相继涌现1 1 2 l ，该类传感器具有标准的数字接口，直接输出数字信号， 可以方便地与计算机对接，而不需要外加a d 转换器，具有代表性为美国 h o n e y w e l l 公司的s t 3 0 0 0 系列智能压力传感器。随着“物联网”概念的提出，传感 器的数字化和智能化是国外未来几年传感器发展的主流趋势。 1 2 4 国内研究现状 目前国内对于压阻式传感器的补偿的研究，也取得了不少成果，提出的补偿 方式多种多样，但是归纳起来总共可分为两大类【1 2 】：硬件( 模拟式) 补偿方式和 软件( 数字式) 补偿方式。 硬件补偿方式是利用分立元件构成压力传感器的补偿电路。误差是由于桥臂 电阻的温度特性不一致而引起的，所以，在桥臂上通过串联和并联相应阻值的电 阻可以减小温度引起的误差。然后再通过运算放大器将传感器的信号放大到：j ：业 要求的大信号。图1 2 所示为一种典型的传感器应用电路，其温漂误差的补偿就 是通过串并联电阻网络的方式实现的。 5 高精度智能传感器补偿与标定系统的研究与开发 图1 2 压阻式传感器典型应用电路 f i g 1 2c i r c u i to fa p p l i c a t i o no ft y p i c a lp i e z o r e s i s t i v es e l l s o r 图中，并联的电阻用于实现热灵敏度漂移的补偿，其最终计算公式为【1 3 】： 翰一赢 q 8 式中，为桥阻值，口为热灵敏度漂移系数，o f h t 式计算得出： 口：vr,(t)-vos(t)l-v,n(to)-vos(to)l100( 1 9 ) o t o ) 【吃( b ) 一v o s ( ) 】 其中，( f ) 、v o , ( t o ) 为温度t 和温度t 。时的零位输出值，屹( f ) 、屹( t o ) 为温度t 和温度t 。时的满度输出值。t c r n 可由下式求出： t c r ： (1s r b ( t o ) r b ( t ) - r b ( t o ) 1 0 ) ( f o )( f o ) ( f f 0 ) 式中，( f ) 、b ( t o ) 分别是桥臂电阻m 尺4 在温度t 和温度t o 时的平均值。 电阻r p 2 用于对热零点漂移进行补偿，r s 用于调整零位输出，其计算公式如下： 耻业掣如譬 ( 1 _ 式中，k 由零位输出确定，k ：_ 4 f v o s ( 为桥压) 。 y 丑 图i 2 中后面的三个运算放大器构成了经典的仪表放大器，用于将毫伏级的 差分信号放大为工业上使用的标准信号。 软件补偿就是将微处理器与压力传感器结合起来，充分利用微处理器的片上 资源和软件功能，再结合一定的补偿算法，对温度引进的误差进行修正。软件补 偿相对于硬件补偿的效果要好，精度高，并目成本低，通用性较好。软件补偿的 6 江苏大学硕士学位论文 核心为补偿算法，补偿算法有曲线拟合法和查表法，曲线法又可分为最佳拟合直 线法和多项式拟合曲线法，其实质是将压力信息和环境温度信息进行融合，拟合 出传感器的输入信号、环境温度信号与输出信号的关系【1 4 l 【1 6 1 。 国内对于软件补偿一般是利用单片机再结合一定的外围电路来实现的。对此 研究较多为西北工业大学，南京航空航天大学，西安交通大学等高校。对压力传 感器进行补偿时，需要将校准公式植入单片机中，然后采集传感器和其所处环境 温度的原始数据，计算公式中的修调系数，将修调系数写入单片机的存储结构中。 实际使用时，单片机在采集压力传感器的压力输出信号的同时，不断地通过温度 传感器测量实时环境的温度信号，根据温度值和压力值利用校准公式和相关的修 调系数对传感器的压力信号进行补偿修正，以输出正确的压力信号，典型的系统 框图如图1 3 所示 1 t i 。这种方法虽然可以达到高精度，但是和传统的硬件补偿方 式一样具有高成本的特点，而且也需要较多的外围器件，不利于批量生产。 控制接f1 匡巫亘 圈一 多 ； 路一a d 卜薄 复片 j l j 控制接口 机 器 图1 3 利用单片机进行补偿的原理图 f i g 1 3p r i n c i p l eo fc o m p e n s a t i o nb ys i n g l e c h i p 1 3 本课题开发方案 通过对以上各对压力传感器温度误差补偿方式的对比，可以得出如下结论： 1 使用硬件方式对硅压阻式压力传感器的信号进行补偿和处理，其工序复杂， 效率低，成本高，灵活性和通用性差，再者，由于各分立器件的温漂特性不一致 还会引起附加的误差，其精度有限。 2 软件补偿方式中使用单片机的智能传感器补偿方式，虽然补偿精度高，灵 活性好，但是其结构复杂，需要单独编制相应的补偿算法，还需要外加a d 转换 器、d a 转换器以及其它外围器件，成本较大。 3 软件补偿方式中使用专用压力传感器信号调理芯片，其集成度高，所需外 围器件较少，可极大缩短开发周期，降低生产成本。而且因为是专用集成芯片， 其补偿精度相对较高，并且可以通过p c 机编制相应的软件，实现智能化操作，基 本不需要人工干预。 7 高精度智能传感器补偿与标定系统的研究与开发 因此，课题以专用压力传感器信号调理芯片z m d 3 1 0 5 0 为核心，设计开发高精 度智能压力传感器补偿系统的软件和硬件，以实现对硅压阻式压力传感器的补偿 和标定。 1 4 论文的主要工作及内容安排 本课题的主要研究内容是硅压阻式压力传感器的智能化温度补偿系统的设计 与开发。以一款压力传感器专用智能信号调理芯片为核心，设计一套硅压阻式压 力传感器智能化补偿与标定系统，对压力传感器的误差进行补偿，并同时进行标 定，使得传感器可以直接输出符合工业使用要求的标准信号，并在宽温区( 2 0 8 0 ) 的综合精度满足工业应用的要求。 论文的内容安排如下： 第一章，阐述本课题研究的意义，硅压阻式传感的工作原理及温度漂移产生 的原因，分析国内外对关压力传感器温度补偿的方法研究概况，提出本课题对系 统开发的总体方案。 第二章，通过对系统工作过程的规划，设计硬件的整体结构，最后确定系统 通信网络的方式。 第三章，介绍器件z m d 3 1 0 5 0 的工作原理，并以其为核心设计三种基本模块 电路：恒压激励模式模块电路、恒流激励模式模块电路和输出信号为0 , - 一1 0 v 模块 电路。阐述每种电路的优缺点以及实际应用工况。 第四章，以单片机m s c l 2 1 1 为m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) ，进行通信板卡 的设计，主要包括与智能压力传感器模块的模拟信号采集接口和数字通信接口电 路、复位及保护电路、与上位机( p c 机) 的r s 2 3 2 和r s 4 8 5 串行接口电路、与智 能压力传感器模块之间的接口切换电路和系统电源电路等几个部分的设计，最后 进行通信板卡硬件抗干扰的设计。 第五章，采用模块化设计思想，设计上下位机软件的整体框架，然后分模块 介绍各个模块功能的设计实现过程。软件设计分为下位机软件设计( 通信板卡) 、 上位机( p c 机) 软件设计和上下位机通信协议设计三部分。最后进行系统软件抗 干扰设计。 第六章，对系统中所设计的虚拟电压表进行校准和检测实验，检验虚拟电压 表的精度；进行对传感器的补偿和标定的实验，以测试系统的整体性能。 第七章，总结和展望。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 1系统工作过程规划 系统的工作过程是指对传感器的补偿和标定过程，其和z m d 3 1 0 5 0 的工作原理 密切相关。z m d 3 1 0 5 0 的结构原理如图2 1 所示【1 8 1 ，其信号分为数字和模拟两部分。 图2 1z m d 3 1 0 5 0 原理图 f i g 2 1p r i n c i p l eo fz m d 3 1 0 5 0 传感器出来的差分信号在程控放大器即p g a ( p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e r ) 中预放大，多路开关即m u x ( m u t i p l e x e r ) 将放大后的传感器信号和温度信号( e x t s 或t s ) 按照一定的序列传送给模数转换器a d c 进行a d 转换，校准微处理器即 c m c ( c a li b r a t i o nm i c r o c o n t r 0 11 e r ) 对转换后的数字信号进行修正，修正过程 是基于存放在r o m 中的校准公式和存放在e e p r o m 的校准系数进行的，压力信号的 修正公式为【1 9 l ： y = 等茹关x c 垫些笔芸等亿d6 x z c o r rr l + 2 - 2 t x c 7 c o r rt 1 c l + 2 一( 7 m 一 7 。1 ) 一 。 p = y x o - 2 1 5x c 2 - 2 1 5x q ) + 2 1 5x c 2 】，2 + 2 1 5x c 3 y 3 ( 2 2 ) 式中，z c d 歙一p 为经过自动零位修正的压力传感器信号原始的模数转换值；z c d 麒一t 1 为温度传感器所测得的压力传感器环境温度的模数转换值；c o c ，为修调系数； 式( 2 1 ) 得出的y 为中间修调结果，进一步由式( 2 2 ) 进行非线性修正，得到最 终结果p ，p 为百分比。修正之后，c m c 根据e e p r o m 中的配置参数，将传感器的 信号以数字、模拟或者p w m 的形式输出。输出接口由串行接口s i f 或者f 1 0 1 、f 1 0 2 提供。若输出电压信号，则信号的大小为p * v d d a ( v d d a 为芯片的模拟工作电 压，同时也作为内部d a c 的基准电压) ，若输出数字信号，则大小为p * 2 “( n 为 所设置的a d c 分辨率) 。 9 高精度智能传感器补偿与标定系统的研究与开发 通过以上对z m d 3 1 0 5 0 的工作原理及过程的分析，确定系统对智能压力传感 器模块补偿和标定过程规划如下： 1 根据传感器的使用要求设置z m d 3 1 0 5 0 中e e p r o m 中的配置参数，如设置传 感器的激励模式( 恒流源激励还是恒压源激励) ，设置传感器的系统增益，设置传 感器获取环境温度的方式，设置传感器最终的信号输出范围等等。 2 采集标定传感器所需的原始数据，并计算修调系数。z m d 3 1 0 5 0 对传感器信 号的补偿是基于存放在r o m 的式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 进行的，因而在使用之前应 该通过采集传感器的原始数据z 渊一，和r 一1 1 ，并设置理想输出p ，反解式 ( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 的修调系数，该步工作通过所编写上位机程序来完成。 3 计算出校准传感器所需要的修调系数后，将系数写入到z m d 3 1 0 5 0 芯片的存 储结构中。 2 2 系统硬件总体结构设计 根据系统工作过程的规划，设计的系统硬件结构框图如图2 2 所示，其可分 为两大部分：智能补偿标定系统和智能压力传感器模块。智能补偿标定系统由p c 机和通信板卡组成，智能压力传感器模块由硅压阻式压力传感器和信号调理芯片 组成。其各部分的功能如下： 1 p c 机为系统的主控部分，是整个系统的复杂运算和操作终端，用户通过操 作p c 机上的应用软件来协调和管理整个标定过程，实现传感器补偿和标定的智能 化。课题将所有复杂的运算全部交由p c 机