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关键字：FPGA 压力传感器 SoC
0 引 言
传统气体压力测量仪器的传感器部分与数据采集系统是分离的，抗干扰的能力较差，并且通常被测对象的压力变化较快。因此不仅要求系统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FPGA具有扩展灵活，可实现片上系统(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、温度补偿的智能传感器系统；同时将传感器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 智能传感器系统性能要求
传感器压力测量范围：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：
FPGA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转换器 选择内含采样保持器的12位A／D转换器AD1674，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。
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
在智能仪表中，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FPGA芯片中的DAS_A0和DAS_A1引脚控制。
系统中A／D转换器AD1674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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