基于max1452的壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題背景及研究意義</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，非電量的測試與控制技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用。尤其在航天、航海、冶金、能源、生物醫(yī)學(xué)、自動檢測與計量等技術(shù)領(lǐng)域。而且隨著社會的發(fā)展，這種技術(shù)也逐步滲透到人們的日常生活中?？梢哉f測試技術(shù)與自動控制技術(shù)水平的高低是衡量科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重

2、要標(biāo)志之一[1]。</p><p>　　傳感器是實現(xiàn)測試與自動控制的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，計算機發(fā)展的水平再高，依舊無法進(jìn)行測試和控制。任何一種傳感器在制造、使用時都需要對其設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行一系列實驗，以確定傳感器的基本性能。</p><p>　　硅壓阻式傳感器是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)和航天測量的基本部件。由于半導(dǎo)體材料組成的硅壓阻式傳感器普遍存

3、在著：一致性、溫漂和非線性等問題，在使用過程中都要進(jìn)行補償與非線性矯正。傳統(tǒng)的矯正方法是采用溫度敏感器件與模擬電路實現(xiàn)。近年來，隨著計算機技術(shù)日新月異的發(fā)展，對于硅壓阻式傳感器的矯正與補償都采用微型計算機系統(tǒng)實現(xiàn)，這樣的方法具有補償精度高、工作穩(wěn)定、體積精巧和傳輸方便等特點。這種方法組成的傳感器信號調(diào)理電路也把傳感器輸出電路與變送器形成一體，即為現(xiàn)今的智能傳感變送器。這種智能傳感變送器還可以構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化測量系統(tǒng)，甚至能很方便的接入Inte

4、rnet網(wǎng)絡(luò)。據(jù)光電行業(yè)開發(fā)協(xié)會(OIDA)做出的最新預(yù)測，從2003年到2006年期間，智能傳感器的國際市場銷售量將以每年20％的高速度增長[2]。</p><p>　　對于傳統(tǒng)傳感器采用模擬方式對信號在模擬域進(jìn)行處理，校準(zhǔn)與補償采用激光微調(diào)薄膜電阻、電位器等“模擬記憶”元件，溫度補償一般采用熱敏電阻、二極管等溫度敏感元件。所有這些方法存在以下主要缺點：</p><p>　　補償精度受限

5、于傳感器的非線性誤差和溫度特性；</p><p>　　補償器件同樣受溫度漂移困擾；</p><p>　　自動化調(diào)理設(shè)備價格昂貴；</p><p>　　人工調(diào)節(jié)不但精度不高，而且增加生產(chǎn)成本，不適合批量生產(chǎn)。</p><p>　　本設(shè)計應(yīng)用精密的信號調(diào)理器MAX1452的調(diào)理技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了硅壓阻式傳</p><p>　

6、　感器的補償與標(biāo)定系統(tǒng)。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　傳感器的動態(tài)校準(zhǔn)一直是學(xué)術(shù)領(lǐng)域一個比較活躍的課題。近十幾年來，它從原來主要應(yīng)用于軍事國防領(lǐng)域，逐漸向民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，使得在這方面研究的人越來越多[3]。</p><p>　　對傳感器的動態(tài)校準(zhǔn)，國外相對而言研究的時間較長，涉及的領(lǐng)域也更寬一些。像美國、俄羅斯、德國、印度等，都取得

7、了較高的水平。在國內(nèi)，特別是近5、6年，一些研究院所和部分大學(xué)在該領(lǐng)域都進(jìn)行了深入的研究，取得了比較令人滿意的成果。</p><p>　　我國從60年代開始對傳感技術(shù)的研究與開發(fā)，國內(nèi)在高精度智能化補償與標(biāo)定系統(tǒng)研究領(lǐng)域正處于方興未艾階段。諸如，南京航空航天大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、航空部304所、合肥智能機械研究所等都在這方面作了一些具體的研究。</p><p>　　國外近年

8、來，傳感器的信號調(diào)理技術(shù)發(fā)展很快，向著集成化、小型化、智能化和數(shù)字化方向發(fā)展。典型產(chǎn)品有Motorola公司生產(chǎn)的MPX2100、MPX4100A、MPX5100和MPX5700系列單片集成硅壓力傳感器；美國Honeywell公司生產(chǎn)的ST3000系列、ST3000．900／2000系列智能壓力傳感器；MAXIM公司生產(chǎn)的MAXl450信號調(diào)理器、MAXl452型高精度硅壓阻式壓力信號調(diào)理器芯片、MAXl458數(shù)字式壓力信號調(diào)理器等。很

9、多公司推出了在內(nèi)部集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的智能信號調(diào)理芯片，可以補償失調(diào)、失調(diào)溫度漂移、靈敏度、靈敏度溫度漂移和非線性等多個參數(shù)。這些芯片為開發(fā)高性能的補償與標(biāo)定系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)和條件[4]。</p><p>　　國內(nèi)傳感器技術(shù)的制造工藝技術(shù)和專用工藝設(shè)備的落后，使傳感器的穩(wěn)定性和可靠性問題長期得不到根本解決，限制了國產(chǎn)傳感器的使用范圍和可信程序。與國外傳感器特別是高技術(shù)含量的傳感器相比，國

10、產(chǎn)傳感器存在較大的差距。經(jīng)過多年開發(fā)，雖然一批工藝和產(chǎn)品取得了科技成果，但是批量生產(chǎn)工藝和穩(wěn)定性和實用性得不到很好解決。隨著計算機、微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和主泛應(yīng)用，特別是在傳感技術(shù)中的應(yīng)用，促使傳感技術(shù)產(chǎn)生了一個飛躍。智能傳感器的出現(xiàn)，就是計算機、微電子等新技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果。</p><p>　　隨著近年來通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，使得制造大量體積小、功耗

11、低，同時具有感知能力、計算能力和通信能力等多種功能的微型傳感器成為了可能，這些傳感器可以感知周圍的環(huán)境，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，同時可以通過通信部件進(jìn)行相互通信。智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由許多這種傳感器節(jié)點協(xié)同組織起來的[5]。 </p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上備受關(guān)注的、由多學(xué)科高度交叉的新興前沿研究熱點領(lǐng)域，是信息感知和采集的一場革命，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，它將會對人類未來的生活方式產(chǎn)生深

12、遠(yuǎn)影響[6]。2003年2月份的美國《技術(shù)評論》雜志評出對人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)，智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。美國商業(yè)周刊認(rèn)為，智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)是全球未來四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。近幾年來在美國國防部高級規(guī)劃署、美國自然科學(xué)基金委員會和其它軍事部門的資助下，美國科學(xué)家正在對化傳感器網(wǎng)絡(luò)所涉及的各個方面進(jìn)行了深入的研究。</p><p>　　智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及通信

13、技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并通過隨機自組織通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端[7]。從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。</p><p>　　智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)作為“無處不在”思想衍生的產(chǎn)物，可以被廣泛地應(yīng)用在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、抗災(zāi)搶險等領(lǐng)域，擁有巨大的應(yīng)用價

14、值。從目前國外的研究進(jìn)展來看，雖然傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景十分美好，但由于仍然面臨很多技術(shù)難題，還不能走向廣泛應(yīng)用。美國很早就開始這方面的研究，但直到近幾年，這方面的研究活動才在各大學(xué)及研究所蓬勃開展起來。美國政府也斥巨資支持這方面的研究，在2003年度的自然科學(xué)基金自主的專題中，便有一個是傳感器與傳感器系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)，撥款額度達(dá)到三千四百萬美元，美國國防部在這方面的投入更為巨大。在其它國家和地區(qū)，如歐洲、日本、澳大利亞也開展了不少關(guān)于傳感器及

15、傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作。</p><p>　　我國智能傳感器的研究主要集中在專業(yè)研究所和大學(xué)，始于八十年代中期。八十年代末中國國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)等大專院校相繼報道了研究成果。九十年代初，國內(nèi)幾家研究機構(gòu)采用混合集成技術(shù)成功的研制出實用的智能傳感器，標(biāo)志著我國智能傳感器的研究進(jìn)入了國際行列。但是與國外的先進(jìn)技術(shù)相比，我們還有較大差距，缺少先進(jìn)的計算、模擬和設(shè)計方法[8]。但是由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個

16、新興技術(shù)，及時開展這項對人類未來生活影響深遠(yuǎn)的前沿科技的研究，對整個國家的社會、經(jīng)濟(jì)將有重大的戰(zhàn)略意義。</p><p>　　1.3 課題的主要研究內(nèi)容</p><p>　　隨著國防工業(yè)的不斷發(fā)展，飛機、導(dǎo)彈等的結(jié)構(gòu)無論在外形、受力情況及邊界條件等方面均變得十分復(fù)雜…。因此對準(zhǔn)確參數(shù)的測試顯得越發(fā)重要。用于表面壓力監(jiān)測的壓力傳感器性能要求相對其他應(yīng)用有所不同，要求尺寸小、厚度薄、靈敏度和分

17、辨率高、故選MEMS硅微結(jié)構(gòu)壓阻式壓力傳感器。但由于半導(dǎo)體材料的固有特性，普遍存在著零點輸出、熱零點漂移、熱靈敏度漂移和非線性等問題，影響傳感器的精確性。因此，必須采取有效措施，減少并補償這些因素影響帶來的誤差，提高傳感器的準(zhǔn)確性。利用低成本精密信號調(diào)理器 MAX1452對MEMS壓力傳感器做數(shù)字補償，彌補了傳統(tǒng)模擬方式補償精度受限于傳感器誤差的非線性，且補償元件同樣受溫度漂移等缺點[9]。</p><p>　　

18、本設(shè)計的主要內(nèi)容章節(jié)安排如下：</p><p>　　第一章緒論，介紹了涉及課題的研究背景、意義和現(xiàn)狀，補償系統(tǒng)，以及該設(shè)計的主要任務(wù)。</p><p>　　第二章硅壓阻式傳感器的硬件設(shè)計，分析了現(xiàn)有各種壓力傳感元件的優(yōu)缺點，根據(jù)課題需要選用小尺寸的傳感元件，并設(shè)計了相應(yīng)的補償電路，詳細(xì)論述了各參數(shù)測試電路原理圖。</p><p>　　第三章詳細(xì)的介紹了硅壓阻式傳感器

19、補償?shù)能浖O(shè)計，本課題采用高性能、低價格、小體積的帶12位ADC及32KB容量FLASH的8051內(nèi)核作為微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理，使系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和實時性都得到了較好的保證。</p><p>　　第四章介紹了傳感器的校準(zhǔn)，采用數(shù)字化信號調(diào)理技術(shù)進(jìn)行傳感器的零點溫度漂移補償，另外，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上改造研究適合于傳感器的專用校準(zhǔn)設(shè)備，設(shè)計專用的調(diào)試軟件對傳感器進(jìn)行輔助調(diào)試。</p><p&

20、gt;　　2 基于MAX1452的壓力傳感器硬件研究</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計</p><p>　　基于半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)制成的硅壓力傳感器在測量過程中要和被測物接觸才能得到測量結(jié)果。由于被測物體的溫度變化會使傳感器的壓阻系數(shù)產(chǎn)生變化，所以壓阻效應(yīng)原理本身會引起傳感器輸出的溫度漂移。同時，由于制造工藝所造成的傳感器電橋電阻的不嚴(yán)格對稱、橋臂電阻的漏電流以及裝配應(yīng)力等因素[10]

21、 目前，對此類傳感器的補償方案有很多，該系統(tǒng)是針對集成一體化的傳感器調(diào)理電路方案而設(shè)計的一套基于 MAX1452溫度補償系統(tǒng)，對硅壓力傳感器的溫度漂移和非線性誤差進(jìn)行補償與校正。經(jīng)過試驗確定好補償和校正參數(shù)后，MAX1452補償電路可以在規(guī)定溫度范圍內(nèi)對傳感器進(jìn)行全自動補償，以提高測量精度和效率

22、[11]。</p><p>　　如圖2.1所示系統(tǒng)由4部分組成：上位機、上位機與MAX1452之間的接口模塊、MAX1452補償模塊以及硅壓力傳感器。1是被校正的傳感器，2是 MAX1452補償模塊，用于對傳感器進(jìn)行溫度補償。3是PIC單片機，作為上位機與MAX1452之間的接口模塊，并且單片機通過 RS232與上位機4相連，對MAX1452發(fā)送的所有命令都由上位機的軟件來控制，單片機接收上位機的命令之后對MAX

23、1452進(jìn)行操作，并將命令發(fā)送到MAX1452中。這樣，上位機就可以對MAX1452進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交換</p><p><b>　　RS-232通訊</b></p><p>　　圖2.1 補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　2.2 傳感器</b></p><p>　　2.2.1 壓力傳感器選

24、型</p><p>　　為滿足對系統(tǒng)設(shè)計的要求。我們對壓電式、電容式、以及壓阻式三種基于不同測量原理的微型壓力傳感器進(jìn)行比較選型。</p><p>　　壓電式傳感器：基于壓電效應(yīng)的傳感器，是一種自發(fā)電式和機電轉(zhuǎn)換式傳感器。具有結(jié)構(gòu)簡單、電路簡單、工作可靠的特點，但是，因自身所具有的較高噪聲電平，不太適合流體力學(xué)的檢測應(yīng)用。</p><p>　　電容式傳感器：把被測的

25、機械量，如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。優(yōu)點是空間分辨率相對較大，對壓力靈敏度高，具備固有的低溫度敏感性，并能做到功耗非常低。缺點在于需要具有集成電子設(shè)備用于小電容信號的放大，接口電路要安裝在緊靠傳感器芯片的位置，以避免雜散電容的影響，增加了電路布板的復(fù)雜性[12]。</p><p>　　壓阻式傳感器：利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)

26、簡單、輸出阻抗低、線性度高、靈敏度高、輸出信號是方便使用的電壓，存在的主要問題是壓阻材料對應(yīng)力變化和溫度變化都極為敏感，即溫度敏感性和漂移大，但可以通過溫度補償電路予以補償。</p><p>　　因為壓阻式壓力傳感器具有膜片尺寸小、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)集成性好等優(yōu)點，所以系統(tǒng)設(shè)計選擇了SMI公司生產(chǎn)的硅微結(jié)構(gòu)壓阻式壓力傳感器SM5420，其采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)、硅壓敏電阻技術(shù)和比例輸出，應(yīng)用靈活，結(jié)構(gòu)簡單，具有

27、微型化、低功耗、高精度、易配微處理器等優(yōu)點；采用硅—硅熔接技術(shù)和高穩(wěn)定性的超小壓阻芯片封存于塑料殼內(nèi)，用于大多數(shù)非腐蝕性氣體和干燥空氣的測量[13]。</p><p>　　SM5420壓力傳感器有如下特點：超小體積、超低成本；表面安裝（SO-8）結(jié)構(gòu)，適用于自動化元件貼裝；工作溫度：-40℃～125℃；靜態(tài)精度小于±0.2%FSO；可提供100、200、350 和700kPa的絕壓量程。</p&g

28、t;<p>　　SM5420在恒壓供電下，采用壓阻式傳感器工作原理，當(dāng)壓力變化時，引起橋臂阻值發(fā)生變化，從而引起電壓信號產(chǎn)生變化，這些信號經(jīng)信號檢出電路綜合后，形成在幅值及相位上隨壓力值而變化的電壓信號，代表了壓力值的大小和方向，產(chǎn)生一個與輸入壓力成正比的電壓信號，用戶可通過信號調(diào)節(jié)電路對其進(jìn)行放大或增加其附加值以達(dá)到自身產(chǎn)品的需求[14]。</p><p>　　壓力傳感器SM5420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各

29、引腳如圖[15]2.2。</p><p>　　圖2.2 SM5420內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳</p><p>　　2.2.2 補償模塊</p><p>　　壓阻式傳感器利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)來進(jìn)行壓力測量，因為具有體積小、重量輕、分辨率高等獨特優(yōu)點，在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但由于半導(dǎo)體材料的固有特性，壓阻式傳感器普遍存在著如下幾方面的問題：</p><p

30、>　?。?）一致性問題：由于工藝的關(guān)系，即使同一批生產(chǎn)的傳感器其特性也會有比較大的離散性，為了保證足夠的精度必須對每個傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)[16]。</p><p>　?。?）溫漂問題：半導(dǎo)體材料對于溫度變化很敏感，因此溫漂問題在壓阻式傳感器中尤其顯得突出，實際應(yīng)用中必須采取一定措施對傳感器的溫度漂移進(jìn)行補償。</p><p>　?。?）非線性問題：這是普遍存在于各種傳感器中的問題，為了便

31、于信號的傳送及處理必須對傳感器輸出信號進(jìn)行線性化處理[17]。</p><p>　?。?）傳感器的原始輸出信號都比較小，為了獲得足夠的分辨率或靈敏度，必須進(jìn)行放大并使輸出信號標(biāo)準(zhǔn)化。</p><p>　　以上這些問題需要利用適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理電路加以解決，傳統(tǒng)的變送器普遍采用完全模擬的方式對傳感器輸出信號進(jìn)行校準(zhǔn)和補償，信號在模擬域進(jìn)行處理，校準(zhǔn)與補償采用激光微調(diào)薄膜電阻、電位器等“模擬記憶”

32、元件，溫度補償一般采用熱敏電阻、二極管等溫度敏感元件[18]。低成本數(shù)字可編程器件的出現(xiàn)使得采用數(shù)字方式調(diào)整模擬函數(shù)成為可能，這種技術(shù)不對信號進(jìn)行量化，信號通道還是模擬的，采用數(shù)字方式對傳感器激勵和放大器的增益和失調(diào)進(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)高精度的校準(zhǔn)和補償。</p><p>　　本課題選用Maxim公司生產(chǎn)的低成本精密信號調(diào)理器MAX1452對壓力傳感器做數(shù)字補償。MAX1452為16引腳SSOP封裝，是一款高度集成的模

33、擬傳感器信號處理器，優(yōu)化于工業(yè)和過程控制中采用阻性元件的傳感器。</p><p>　　MAX1452具有放大、校準(zhǔn)和溫度補償功能，可以逼進(jìn)傳感器所固有的可重復(fù)指標(biāo)。全模擬信號通道不會在輸出信號引入量化噪聲，利用集成的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)實現(xiàn)數(shù)字化校正，偏移量和跨度可以校準(zhǔn)在±0.02%滿度之內(nèi)。用16位DAC對信號的偏移量和跨度校準(zhǔn)，賦予了傳感器產(chǎn)品真正的可互換性。</p><

34、p>　　MAX1452的功能框圖見圖2.3。</p><p>　　圖2.3 MAX1452功能框圖</p><p>　　通過MAX1452的功能框圖可知其包含可編程傳感器激勵、16級可編程增益放大器(PGA)、768字節(jié)(6144位)內(nèi)部EEPROM、四個16位DAC、一個獨立的運算放大器以及內(nèi)部溫度傳感器。除偏移量和跨度補償外，MAX1452還利用偏移溫度系數(shù)(Offset TC)

35、和跨度溫度系數(shù)(FSOTC)提供獨特的溫度補償，在提供靈活性的同時降低了測試成本[19]。</p><p>　　本課題中應(yīng)用MAX1452的基本原理如下：</p><p>　　MAX1452主通道為完全模擬量通道，傳感器信號的放大、校準(zhǔn)、補償?shù)榷荚谥魍ǖ乐袑崿F(xiàn)。其通過五個寄存器(ODAC、OTCDAC、FSODAC、FSOTC DAC、CONFIG)把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量加載到模擬通道上，來

36、具體實現(xiàn)校準(zhǔn)、補償?shù)裙δ?。其中FSODAC、FSOTC DAC寄存器的數(shù)字量（0～FFFF）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電流值（0～2mA），直接加到惠斯通橋式敏感頭電源引腳上，來給敏感頭供電，通過此功能可以對傳感器的靈敏度（即FSO）進(jìn)行調(diào)整和溫度補償?shù)?；ODAC、OT C DAC寄存器的數(shù)字量（0～FFFF）轉(zhuǎn)換成模擬電壓值，直接加到其模擬通道上，通過此功能可以對傳感器的偏置（Offset）進(jìn)行校準(zhǔn)和溫度補償?shù)?；另外，模擬通道也可以通過對CON

37、FIG寄存器填入?yún)?shù)來對傳感器輸出信號進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換、偏置調(diào)節(jié)以及放大等。</p><p>　　傳感器正常工作模式下，每1毫秒從EEPROM刷新一次ODAC、OTCDAC、FSODAC、FSOTC DAC、CONFIG寄存器，其中ODAC、FSODAC寄存器可通過溫度尋址EEPROM來刷新數(shù)據(jù)，OTC DAC、FSOTC DAC、CONFIG寄存器從EEPROM固定地址來刷新數(shù)據(jù)；調(diào)試工作模式下，通過計算機串口往（

38、MAX1452）五個寄存器中寫入數(shù)據(jù)，來進(jìn)行實時調(diào)試[20]。</p><p>　　2.2.3 壓力測試電路原理圖</p><p>　　利用2.2.1和2.2.2中所提到的壓力傳感器SM5420和信號調(diào)理器MAX1452組成的壓力測試單元原理圖2.4。SM5420為惠斯通電橋式壓力傳感器，壓力的變化引起橋臂阻值發(fā)生變化，從而引起電壓信號產(chǎn)生變化。如圖所示，SM5420的+IN端與MAX14

39、52的電橋驅(qū)動BDR引腳連接，-IN接地，INP和INM分別與電橋的正輸出端OUT+和負(fù)輸出端OUT-連接，通過配置寄存器可交換二者的極性。VDDF是EEPROM正電源電壓，為了抑止噪聲，需在VDDF與VDD之間連接一個1kΩ的電阻，VDDF和VDD與VSS之間需要連接一個0.1μF電容。UNLOCK引腳上使用下拉電阻，使得MAX1452不需要重新布板便能切換到數(shù)字模式，完成對壓力傳感器的在線校準(zhǔn)調(diào)試。R4、R5、C5、C7和MAX14

40、52內(nèi)部的運放構(gòu)成二階低通濾波器對信號進(jìn)行濾波。</p><p>　　圖2.4 壓力測試單元原理圖</p><p><b>　　2.3控制模塊</b></p><p>　　2.3.1 微控制器</p><p>　　在當(dāng)今微控制器市場，各種微控制器都有其獨有特點，至于具體選擇哪種微控制器型號，則完全遵循工程應(yīng)用的實際需要和

41、經(jīng)濟(jì)性原則。</p><p>　　本課題采用成熟的帶12位ADC及32KB容量FLASH的8051內(nèi)核作為行測試信息管理模塊的數(shù)據(jù)采集及處理微控制器，對傳感器信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，然后通過485總線將數(shù)據(jù)輸出?；诒菊n題對器件體積小、價格低、信息處理速度快的要求，微控制器選用了綜合性能較好的Silicon Lab公司的C8051F410。</p><p>　　C8051F410是S

42、ilicon Lab公司新近推出的小封裝、高性能、低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，適合于測控系統(tǒng)、儀器儀表、便攜式醫(yī)療設(shè)備、智能傳感器、POS系統(tǒng)、游戲機、電子玩具等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。具有體積小、價格低、運算速度快、功能全及微功耗等特點，片內(nèi)集成外設(shè)的很多先進(jìn)特性可以節(jié)省應(yīng)用代碼空間和CPU執(zhí)行時間，很適合于要求控制器體積小、能進(jìn)行快速運算的高速實時控制場合[21]。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5所示。</p><p>

43、　　圖2.5 C8051F410內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　C8051F410的結(jié)構(gòu)和性能很適合在本課題的行測試信息管理模塊中作為控制核心，能滿足系統(tǒng)的要求，這主要體現(xiàn)在以下幾方面：</p><p>　　（1）具有體積小、價格低、運算速度快、功能全及微功耗等特點，很適合于要求控制器體積小、能進(jìn)行快速運算的高速實時控制場合；</p><p>　?。?）它具有多達(dá)

44、24個外部輸入ADC通道，可編程為單端輸入或差分輸入，滿足帶式傳感器的多路信號輸入采集要求，可編程轉(zhuǎn)換速率最大可達(dá)200ksps；</p><p>　?。?） 具有32KB可編程FLASH，256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，2048字節(jié)外部數(shù)據(jù)地址空間（XRAM），為移植嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ提供了條件；</p><p>　?。?）方便高效的開發(fā)環(huán)境，F(xiàn)LASH型C8051F410單片機有C2

45、調(diào)試接口，這種單片機的調(diào)試只需一臺PC機和一個JTAG調(diào)試器，而不需要專用的仿真器和編程器，這種高度方式方便、廉價；</p><p>　?。?） C8051F410的32腳LQFP表面貼片封裝使它體積很小，這正符合系統(tǒng)的微型化小體積要求。它貨源充足，價格低廉，也符合系統(tǒng)低成本的要求。</p><p>　　本課題在電路設(shè)計時，C8051F410中的P1.3～P1.7，P0.0～P0.3，P0

46、.7，P2.0～P2.5均可作為ADC輸入，一共16個ADC通道，用于采集的端口接RC濾波器，R為470歐，C為0.01μF。P0.4和P0.5用于串行通信。C2D和C2CK為單片機下載程序、在線調(diào)試接口。其他口線則用于控制，滿足了系統(tǒng)的硬件要求，電路原理圖如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 硬件電路原理圖</p><p>　　2.3.2 數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計</p>

47、<p>　　串行數(shù)據(jù)通信以其獨特的優(yōu)勢在當(dāng)今工程應(yīng)用中占有非常重要的地位。51系列單片機提供了可方便與計算機或其他串行設(shè)備連接的異步通信口。為了實現(xiàn)低成本、高效率的遠(yuǎn)程傳感信號的數(shù)字處理與變送，總希望用最少的信號線來完成，目前廣泛使用的RS485串行接口總線正好滿足了這種需要。RS485采用平衡差分信號線的傳送方式，具備多點、雙向通信能力，在多站點互連方面使用十分方便，通訊接口可以采用MAX490芯片。</p>

48、<p>　　RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抑制共模干擾的能力，而且接收器具有高的靈敏度，能檢測低達(dá)200mV的電壓，故數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)千米以外[21]。RS-485可以采用二線與四線方式，二線制可實現(xiàn)真正的多點雙向通信。而采用四線連接時，與RS-422一樣只能實現(xiàn)點對多的通信，即只能有一個主（Master）設(shè)備，其

49、余為從設(shè)備，但它比RS-422有改進(jìn)，無論四線還是二線連接方式總線上可連接多達(dá)32個設(shè)備，SIPEX公司新推出的SP485R最多可支持400個節(jié)點。</p><p>　　RS-485最大傳輸速率為10Mb/s。當(dāng)波特率為1200bps時，最大傳輸距離理論上可達(dá)15千米。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度。RS-485共模輸出電壓在-7V至+12V之間，接收器最

50、小輸入阻抗為12KΩ。</p><p>　　本課題采用四線制RS-485總線全雙工通信，用兩對雙絞線實現(xiàn)多點聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。其互連方案如圖2.7所示。</p><p>　　選用MAXIM公司的MAX490作為總線接口芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。MAX490支持單電源+5V工作，可以實現(xiàn)全雙工通信。其中R0、DI端的電平標(biāo)準(zhǔn)如下：邏輯“0”為 0.5V—

51、0.8V 之間，邏輯“1”在2.0V—VCC之間。工作狀態(tài)為：當(dāng)A端電壓比B端電壓高200mV以上，RO輸出邏輯“1”；而當(dāng)A端電壓比B端電壓低200mV ，RO輸出邏輯“0”；當(dāng)DI輸入邏輯“0”，Y輸出低，Z輸出高，反之Y輸出高，Z輸出低。MAX490的引腳功能說明如下：</p><p>　?。?） VCC　正電源端；</p><p>　?。?） RO 接收器輸出端。若A大

52、于B200mV，RO為高；A小于B200 mV，RO為低；</p><p>　?。?） DI　驅(qū)動器輸入端。DI為低時 ，輸出A低B高；DI為高時，輸出B低A高；</p><p>　　（4） GND　地；</p><p>　?。?） Y 驅(qū)動器非反相輸出端；</p><p>　　（6） Z 驅(qū)動器反相輸出端；</p><

53、;p>　?。?） B　接收器的反相輸入端和驅(qū)動器的反相輸出端；</p><p>　?。?） A　接收器的同相輸入端和驅(qū)動器的同相輸出端。</p><p>　　圖2.7 RS485組網(wǎng)通信圖</p><p>　　圖2.8 MAX490內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　C8051F410單片機有一個全雙工的串行口，數(shù)據(jù)發(fā)送端為P0.4(TX)

54、，數(shù)據(jù)接收端為P0.5(RX)，它們分別與MAX490的驅(qū)動器輸入端DI和接收器輸出端RO相連。RS-485應(yīng)在總線電纜的開始和末端都并接電阻進(jìn)行終端匹配，阻值為120Ω。如圖2.9所示。</p><p>　　圖2.9 單片機與MAX490的接口電路</p><p>　　2.3.3整體的電路測試圖</p><p>　　將各部分電路測試圖連接構(gòu)成整體的電路圖，如圖2.

55、10。對整體的原理圖用PROTEL99SE做出測試電路的PCB圖，如圖2.11。</p><p>　　圖2.10 校正電路原理圖</p><p>　　圖2.11 測試電路PCB版</p><p><b>　　3 軟件設(shè)計</b></p><p>　　3.1 軟件設(shè)計概述</p><p>　　硬件電

56、路設(shè)計完成后，測試系統(tǒng)能否實現(xiàn)相應(yīng)的功能還要依賴于軟件的實現(xiàn)。系統(tǒng)能否正?？煽康墓ぷ?，除了硬件的合理設(shè)計外，與功能完善的軟件設(shè)計是分不開的。本課題所設(shè)計的軟件結(jié)合采用51單片機C語言完成系統(tǒng)的整個流程控制以及運算處理等工作。</p><p>　　3.2 單片機編程 </p><p>　　軟件與硬件的有機結(jié)合就像人一樣。如果硬件是人的身體，那么軟件就相當(dāng)于人的大腦，空有身體，頭腦中沒有知識或

57、頭腦干脆有了疾病，則工作能力就會受到很大限制。因而編制正確、完善的程序，采用合理的算法是至關(guān)重要的。硬件電路設(shè)計完成后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)能否正?？煽康墓ぷ?，自動化程度的高低，智能實施控制的能力大小，除了硬件的合理設(shè)計外，很大程度上取決于功能完善、算法先進(jìn)的軟件設(shè)計。程序的編制過程需要不斷地修改、調(diào)試、完善，因此結(jié)構(gòu)化好，可讀性強的編程風(fēng)格，有助于縮短開發(fā)周期，同時便于日后的維護(hù)和改進(jìn)[22]。</p>

58、;<p>　　作為程序設(shè)計人員，要對軟件的編制特點有深刻的理解。單片機的程序設(shè)計有其自身的特點。首先，單片機系統(tǒng)的系統(tǒng)程序與應(yīng)用程序密不可分，系統(tǒng)程序與應(yīng)用程序必須在一起考慮；其次在單片機系統(tǒng)中，硬件與軟件緊密結(jié)合，軟件直接操作硬件，硬件電路的設(shè)計不具有通用性，必須根據(jù)具體的硬件設(shè)計相對應(yīng)的軟件。硬件設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到軟件設(shè)計的難易和質(zhì)量，軟件設(shè)計的水平又直接影響硬件功能的發(fā)揮。同時，很多時候軟件可以替代硬件的功能。單片

59、機的應(yīng)用一般都是在工業(yè)現(xiàn)場，其多數(shù)環(huán)境惡劣。因此，除了在硬件上提高抗干擾能力外，軟件的抗干擾能力、容錯能力也必須強。</p><p>　　除了以上所述單片機編程的一些特點外，也同樣有一般軟件的共同特點。首先，應(yīng)采用合理、正確的算法，以合理的資源耗費實現(xiàn)預(yù)定的功能。其次，軟件應(yīng)具有模塊化，可讀性強，可維護(hù)性好的特征。</p><p>　　軟件的設(shè)計按如下步驟進(jìn)行：</p>&l

60、t;p>　?。?）分析問題，明確所要解決問題的具體要求，編寫任務(wù)說明書；</p><p>　?。?）根據(jù)具體要求，確定軟件應(yīng)實現(xiàn)的功能；</p><p>　?。?）根據(jù)各功能，確定功能模塊，并為每一模塊進(jìn)行接口定義，即輸入、輸出定義。同時規(guī)劃監(jiān)控程序，確定監(jiān)控程序與各功能模塊之間的關(guān)系；</p><p>　　（4）確定算法，根據(jù)不同的功能，選擇或設(shè)計不同的算法

61、。算法正確與否，直接決定了程序的正確性和能否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)；</p><p>　?。?）確定數(shù)據(jù)類型、規(guī)劃數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；</p><p>　　（6）分配內(nèi)存資源，列出RAM資源的詳細(xì)分配清單，作為編程依據(jù)；</p><p>　?。?）編程及調(diào)試，編制程序時，要根據(jù)算法，首先繪制出流程框圖，有時甚至需要繪制出多級框圖，逐步細(xì)化。編制完了還需要對程序進(jìn)行調(diào)試。對Flash型

62、C8051F410單片機來說，有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因為器件內(nèi)部有JTAG調(diào)試接口；</p><p>　　（8）寫入程序，現(xiàn)場試運行。仿真運行正確的程序就可以燒入EEPROM，到現(xiàn)場試運行了。并不是可仿真運行的程序在現(xiàn)場都能運行或完全正確運行。</p><p>　?。?）根據(jù)現(xiàn)場運行狀況，修改硬件和軟件，使系統(tǒng)更完善，更可靠。</p><p><b>

63、　　3.2.1流程圖</b></p><p>　　根據(jù)以上介紹，畫流程圖和編寫C語言程序。程序主流程圖如圖3.1。</p><p>　　如圖3.1運行開始時，先將各個寄存器進(jìn)行必要的初始化，做好準(zhǔn)備，將所用到的中斷初始化成可用狀態(tài)，開始讀取數(shù)據(jù)（正，反行程的數(shù)據(jù)），發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和校準(zhǔn)。 </p><p>　　圖3.1 程序主流程圖</p>

64、;<p>　　如圖3.2程序開始寫入，寫入標(biāo)準(zhǔn)的傳感器信息，選擇進(jìn)行壓力校準(zhǔn)或不進(jìn)行，不進(jìn)行壓力校準(zhǔn)，則選擇我們設(shè)置的檢測點進(jìn)行檢測，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。選擇壓力校準(zhǔn)，無論正反行程，都先設(shè)置檢測的檢測點，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。如果數(shù)據(jù)符合設(shè)置的校準(zhǔn)要求，則保存數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)結(jié)束。如果不符合校準(zhǔn)要求，則重復(fù)上述動作，重新設(shè)置壓力檢測點，再進(jìn)行校準(zhǔn)。重復(fù)以上流程，直至符合設(shè)計所要求達(dá)到的精度標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>&

65、lt;b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p>　　N N</p><p>　　N Y N</p><p>　　N &

66、lt;/p><p><b>　　Y</b></p><p>　　3.2 壓力傳感器校正流程圖</p><p><b>　　3.2.2主要程序</b></p><p>　　#include <c8051f410.h></p><p>　　#include "c

67、onst.h"</p><p>　　#include "main.h"</p><p>　　bit Receive_Flag;</p><p>　　unsigned char *Receive_Pointer;</p><p>　　bit SendOver;</p&g

68、t;<p>　　unsigned char *Instruc_Pointer;</p><p>　　unsigned char data RECEIVED _at_ 0x22;</p><p>　　void COM1452();</p><p>　　void Serial_Init();</p><p>　　void Decid

69、e_1452(unsigned char *INSTRUC);</p><p>　　void Send_message(unsigned char *message);</p><p>　　extern void System_UARTO_Init();</p><p>　　extern void Receive();</p><p>　　e

70、xtern void UARTO_Enable();</p><p>　　#ifndef _1452COM_VALUE</p><p>　　#define _1452COM_VALUE</p><p>　　#define CALIBRATION 0x00</p><p>　　#define COLLECTION 0x20</p>

71、<p>　　#define WATCH 0x10</p><p>　　#define STRAIN 0x40</p><p>　　#define PRESSURE 0x80</p><p>　　#define TEMPRATURE 0x00</p><p>　　#define VIBRATION

72、 0xc0</p><p><b>　　#endif</b></p><p>　　unsigned char instruction[7]={0x86,0x16,0x39,0x08,0x59,0x18,0x59};</p><p>　　void main()</p><p><b>　　{ </b>

73、;</p><p>　　WDT_Disable();</p><p>　　SYSCLK_Init();</p><p>　　System_Port_Init();</p><p>　　System_UART0_Init();</p><p>　　UART0_Enable();</p><p>&

74、lt;b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　Decide_1452(Instruc_Pointer);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p>

75、<p>　　void Decide_1452(unsigned char *INSTRUC)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Instruc_Pointer = instruction;</p><p>　　if((*Instruc_Pointer & 0x30) == CALIBRATION)

76、 // 判斷指令是否是校準(zhǔn)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if((*Instruc_Pointer & 0xc0) == STRAIN)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　P20 = 1;</b>&l

77、t;/p><p>　　Serial_Init();</p><p>　　COM1452();</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if((*Instruc_Pointer & 0xc0) == PRESSURE)</p><p><b>　　{</b&g

78、t;</p><p><b>　　P21 = 1;</b></p><p>　　Serial_Init();</p><p>　　COM1452();</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p>

79、<p>　　if( (*Instruc_Pointer & 0x30) == COLLECTION) // 判斷是否是指令集</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if((*Instruc_Pointer & 0xc0) == STRAIN)</p><p><b>　　{ }

80、</b></p><p>　　if((*Instruc_Pointer & 0xc0) == PRESSURE)</p><p><b>　　{ }</b></p><p>　　if((*Instruc_Pointer & 0xc0) == TEMPRATURE)</p><p><

81、b>　　{ }</b></p><p>　　if((*Instruc_Pointer & 0xc0) == VIBRATION)</p><p><b>　　{ }</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if((*Instruc_Poi

82、nter & 0x30) == WATCH) // 判斷指令是否是WATCH</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if((*Instruc_Pointer & 0xc0) == STRAIN)</p><p>　　{ </p><p>　　P20

83、 = 1;</p><p>　　Serial_Init();</p><p>　　COM1452();// UNLOCK0=1，STRAIN通道可用</p><p><b>　　} </b></p><p>　　if( (*Instruc_Pointer & 0xc0) == PRESSURE)

84、</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P21 = 1;</p><p>　　Serial_Init();</p><p>　　COM1452();// UNLOCK1=1，PRESSURE通道可用</p><p><b>　　}</b>

85、</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void COM1452()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char n;</p><

86、;p>　　SendOver = 0;</p><p>　　n = *Instruc_Pointer & 0x0f; // n=數(shù)據(jù)長度 </p><p>　　Instruc_Pointer++;</p><p>　　while (n>0)</p><p><

87、b>　　{</b></p><p>　　if (*Instruc_Pointer == 0x59)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Send_message(Instruc_Pointer);</p><p>　　Instruc_Pointer++;</p>&

88、lt;p><b>　　n--;</b></p><p><b>　　if(n!=0)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　Receive_Pointer = &RECEIVED;</p><p><b>　　}<

89、/b></p><p><b>　　if(n==0)</b></p><p><b>　　{ </b></p><p>　　Receive_Pointer++;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　Receive_Flag

90、 = 1; // Receive 信號的設(shè)置</p><p>　　Receive();</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><

91、;p>　　Send_message(Instruc_Pointer);</p><p>　　Instruc_Pointer++;</p><p><b>　　n--;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p>

92、;<p><b>　　if(n==0)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　SendOver = 1; // 發(fā)送消息成功 </p><p><b>　　} </b></p><p>&l

93、t;b>　　}</b></p><p>　　void Send_message(unsigned char *message)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　ES0 = 0; // 禁用UART 0中斷 </p><p&

94、gt;　　TB80 = 1; // 第九位設(shè)置為1</p><p>　　SBUF0 = *Instruc_Pointer;</p><p>　　while (!TI0); // 等一直到發(fā)送成功 </p><p><b>　　if (TI0)<

95、;/b></p><p>　　{ TI0 = 0;}</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void Serial_Init()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　ES0 = 0;</b>&

96、lt;/p><p><b>　　TB80 = 1;</b></p><p>　　SBUF0 = 0xFF; // 初始化串行端口</p><p>　　while (!TI0) ;</p><p><b>　　if (TI0)</b></p>&

97、lt;p>　　{ TI0 = 0;}</p><p>　　SBUF0 = 0x01; // 初始化串口 </p><p>　　while (!TI0) ;</p><p><b>　　if (TI0)</b></p><p>　　{ TI0 = 0;}</p>

98、;<p><b>　　} </b></p><p>　　4 傳感器的校準(zhǔn)及補償</p><p>　　4.1 校準(zhǔn)補償目的</p><p>　　測量系統(tǒng)的線性度（非線性誤差）是影響系統(tǒng)精度的重要指標(biāo)之一，為了實現(xiàn)傳感器的輸入—輸出特性是一條直線，也就是說在測量范圍內(nèi)傳感器的靈敏度是一不變的常數(shù)，需要對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和溫度補償[23]

99、。</p><p>　　理想傳感器的輸出量與輸入量之間應(yīng)為線性關(guān)系：，其中常數(shù)和分別對應(yīng)于傳感器的零點和靈敏度。對于實際的傳感器輸入、輸出之間的關(guān)系會受到環(huán)境因素（主要是溫度）的影響，叫是存在著一定的非線性。這樣，實際傳感器的輸入、輸出關(guān)系可以用下式來表示：</p><p><b>　　(4.1)</b></p><p>　　其中，和分別代表傳

100、感器的零點及其溫漂；和分別代表靈敏度及其溫漂；二次以上的高階分量代表傳感器的非線性。校準(zhǔn)與補償?shù)哪康?，就是將上式中的和調(diào)整在某個精確的值，最大限度消除其中的溫漂成分和，并消除二次以上的非線性成分。</p><p><b>　　1．校準(zhǔn)</b></p><p>　　校準(zhǔn)的目的是將式的、調(diào)整在一個統(tǒng)一、精確的值，對于壓阻式傳感器分別對應(yīng)于失調(diào)和滿偏的校準(zhǔn)。失調(diào)的校準(zhǔn)是利用

101、高精度DAC產(chǎn)生一個校準(zhǔn)電壓，疊加到經(jīng)PGA放大后的傳感信號中，使傳感器的零點輸出為一個標(biāo)準(zhǔn)的值。滿偏輸出FSO（也就是靈敏度）的校準(zhǔn)分為兩步：首先通過數(shù)字調(diào)節(jié)PGA的增益進(jìn)行粗校；細(xì)校是利用DAC調(diào)節(jié)傳感器的激勵電流來實現(xiàn)的。恒流驅(qū)動時，傳感器的靈敏度正比于橋路的激勵電流，因此可以通過調(diào)節(jié)激勵電流達(dá)到校準(zhǔn)靈敏度或FSO的目的[24]。</p><p><b>　　2．溫度補償</b><

102、;/p><p>　　溫度漂移是壓阻式傳感器最主要的問題，典型傳感器的失調(diào)及FSO溫漂會達(dá)到20%～30%左右。而對于電阻應(yīng)變片來說，溫度的變化也會引起電阻值的變化，這樣，</p><p>　　實際的測量結(jié)果就不完全是由于被測構(gòu)件受力所產(chǎn)生的應(yīng)變，還包括有由于溫度變化帶來的虛假應(yīng)變。因此要獲得足夠的精度，必須進(jìn)行仔細(xì)的補償。溫度的變化范圍可能會很大，而溫度漂移又具有非線性，所以MAX1452采用

103、分段線性補償（多斜率溫度補償）的方法，可以補償任意的誤差曲線[25]。</p><p>　　MAX1452用115個線性區(qū)段來近似實際的溫度誤差曲線，115個線性區(qū)段的補償系數(shù)保存在內(nèi)部EEPROM中。溫度信號取自橋路的端電壓（恒流供電時，橋路端電壓與溫度有關(guān)），用一個12位ADC將轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并用此數(shù)字量去尋址EEPROM，就可得到不同線性區(qū)段的補償系數(shù)[26]。從EEPROM取出的失調(diào)和FSO補償系數(shù)分別被寫

104、入兩個16位DAC（OFFSETDAC和FSODAC），而它們的參考電壓取自橋路端電壓，這樣，DAC的輸出電壓可以表示為：</p><p><b>　　(4.2)</b></p><p>　　補償系數(shù)通過對傳感器誤差測試數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬和得到。溫度測試點越多、曲線擬和精度越高，則補償精度也越高。但過多的測試點會增加測試工作量，增加生產(chǎn)成本。補償后的殘留誤差還與誤差曲線的

105、非線性程度有關(guān)[27]。</p><p><b>　　3．非線性修正</b></p><p>　　任何傳感器都存在非線性。為了信號處理和傳輸?shù)姆奖?。通常都要進(jìn)行線性化處理。非線性修正的目的是要消除二次以上的高次項。</p><p>　　4.2 校準(zhǔn)補償方法及步驟</p><p>　　本課題所研究的壓力及應(yīng)變校準(zhǔn)補償均采用

106、數(shù)字式信號調(diào)理器MAX1452，以下內(nèi)容以壓力傳感器為例講述應(yīng)用MAX1452進(jìn)行校準(zhǔn)及補償?shù)脑砑安襟E。</p><p>　　MAX1452的模擬部分包含激勵傳感器橋的所有信號成分，將傳感器的微小信號放大，補償溫度變化引起的偏置誤差和靈敏度誤差，并為校準(zhǔn)提供多路可選模擬通道。其模擬信號方框圖如圖4.1所示[28]。它主要由6個功能模塊構(gòu)成，各模塊功能見表4.1。MAX1452對傳感器的校準(zhǔn)和修正都是通過改變偏移

107、量（IRO）和可編程放大器（PGA）的增益以及傳感器電橋上的激勵電壓或電流實現(xiàn)的。</p><p>　　壓力傳感器的靜態(tài)參數(shù)校準(zhǔn)包括零點和靈敏度校準(zhǔn)。MAX1452的校準(zhǔn)程序相比起以前的產(chǎn)品來要簡化很多。EEPROM查找表里提供的對靈敏度和偏置DAC的校準(zhǔn)值，可以有效的隔離校準(zhǔn)點上的互相依賴。另外，MAX1452可提供其內(nèi)部功能的高度可伸縮性和可見性，這樣就可以避免校準(zhǔn)前對傳感器的預(yù)測試，從而加快校準(zhǔn)過程的速度[

108、29]。</p><p>　　圖4.1 MAX1452模擬信號通道方框圖</p><p>　　表4.1 MAX1452的模擬功能框圖</p><p>　　利用MAX1452進(jìn)行校準(zhǔn)，由于不同傳感器廠商生產(chǎn)的傳感器橋路電阻、靈敏度等參數(shù)存在很大差異，通常需要在使用前進(jìn)行常溫下的初始校準(zhǔn)，以保證MAX1452內(nèi)部電路工作在線性、可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)，同時為傳感器設(shè)定初始參數(shù)[

109、30]。</p><p><b>　　校正步驟如下：</b></p><p>　　在室溫下對傳感器施加最小壓力；</p><p>　　調(diào)整FSO DAC的值，將MAX1452橋路驅(qū)動電壓Vb調(diào)整至約2.5V；</p><p>　　調(diào)整IRO DAC的值，將PGA模擬電壓輸出Vo粗調(diào)到0.2V～1.0V的范圍內(nèi)；</

110、p><p>　　調(diào)整OFF DAC的值，將PGA模擬電壓輸出Vo進(jìn)一步細(xì)調(diào)至約0.5V；</p><p>　　對傳感器施加最大壓力，測量此時的PGA模擬電壓輸出Vfs；</p><p>　　計算理想橋路驅(qū)動電壓Ideal_Vb，即：</p><p>　　Ideal_Vb = 期望達(dá)到的FSO×Vb/(Vfs-Vo)</p>

111、<p>　　如果Ideal_Vb的值小于1.5V或大于3.5V，則增大或減小PGA增益后從步驟（1）</p><p>　　重新開始校準(zhǔn)； </p><p>　　如果Ideal_Vb的值在1.5V～3.5V的范圍內(nèi)，則將環(huán)境壓力恢復(fù)為最小值；</p><p>　　調(diào)整FSO DAC的值，使實測的橋路驅(qū)動電壓Vb=Ide

112、al_Vb；</p><p>　?。?0）調(diào)整FSO DAC的值，使PGA模擬電壓輸出等于要求的失調(diào)；</p><p>　?。?1）將數(shù)據(jù)寫入EEPROM。</p><p>　　4.3傳感器校準(zhǔn)補償數(shù)據(jù)處理</p><p>　　根據(jù)課題要求的測量范圍，首先設(shè)定全量程需要檢定的等間距壓力點，然后使用壓力泵給真空罐內(nèi)從零點等間隔加壓，當(dāng)壓力達(dá)到檢

113、定點值并持續(xù)穩(wěn)定一段時間后，數(shù)字精密壓力表上顯示的數(shù)值穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)并保存；之后，開始進(jìn)行下一個標(biāo)定點的測試，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定的最大測量值后，壓力泵開始等間隔的卸壓，直至回到零點，從而完成了一個循環(huán)[31]。多個循環(huán)結(jié)束后，由計算機對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出標(biāo)定曲線與所需的結(jié)果。</p><p><b>　　1標(biāo)準(zhǔn)曲線的確定</b></p><p>　　在系統(tǒng)整個測試量程內(nèi)

114、取m個測試點，并進(jìn)行n次循環(huán)測試，各測試點的正、反行程測試值得算術(shù)平均值，分別按下式計算：</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p><b>　　(4.4)</b></p><p>　　式中 — 正行程第i個測試點第j個測試輸出值</p><p>　　— 反行程第i個測試點第

115、j個測試輸出值</p><p>　　分別由、 所連接的曲線成為正行程校準(zhǔn)曲線和反行程校準(zhǔn)曲線。</p><p>　　各測試點的正行程和反行程測試值的算術(shù)平均值為：</p><p><b>　　(4.5)</b></p><p>　　由所連接的曲線稱為該系統(tǒng)的校準(zhǔn)曲線。</p><p><b&