FPGA在智能壓力傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 系統(tǒng)性能及元器件
1．1 智能傳感器系統(tǒng)性能要求
傳感器壓力測(cè)量范圍：0～5 MPa；系統(tǒng)精度：±0．1％FS；1通道模擬電壓輸入(壓力信號(hào))大于250 sampies／通道／s；采用串行RS 232C接口輸出。
1．2 系統(tǒng)主要元器件及性能
根據(jù)系統(tǒng)的精度指標(biāo)的要求選擇器件：
FPGA芯片 選用Altera的CycloneⅡEP2C5，其邏輯單元有4 608個(gè)LE，26個(gè)M4K RAM塊，142個(gè)用戶I／O引腳。
壓力傳感器 采用PDCR130W，壓力范圍0～7 MPa，工作電壓直流10～30 VDC，輸出0～10 V，精度±0．05％FS，使用溫度范圍-40～+125℃，溫度影響±0．015％FS／℃。
溫度傳感器 采用高精度集成溫度傳感器LM335，其靈敏度為10 mV／K，精度為1℃，溫度范圍-40～+100℃。
A／D轉(zhuǎn)換器 選擇內(nèi)含采樣保持器的12位A／D轉(zhuǎn)換器AD1674，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為10 μs，0～10 V單極輸入或±5 V雙極輸入，可并行12位輸出。
多路模擬開關(guān) 采用四選一多路模擬開關(guān)AD7502，其引腳設(shè)置為EN=1的使能信號(hào)；A1A0引腳為通道選擇信號(hào)。
輸出電平轉(zhuǎn)換接口 系統(tǒng)使用MAX232芯片完成TTL和RS 232C電平的轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)誤差校正方法
2．1 零點(diǎn)漂移和增益誤差的校正方法
在智能儀表中，誤差模型的誤差校正公式為：

式中：b1和b0為誤差校正因子。誤差校正電路模型如圖1所示，其中x為被測(cè)信號(hào)；y為系統(tǒng)輸出；ε，k，i為影響系統(tǒng)的未知量。

誤差校正過程為：
當(dāng)S1閉合時(shí)，x=0，依據(jù)誤差校正公式得到式(2)，用于系統(tǒng)零點(diǎn)校準(zhǔn)；

當(dāng)S2閉合時(shí)，x=E(標(biāo)準(zhǔn)電壓)，得到公式(3)，用于系統(tǒng)增益誤差校正；

聯(lián)立式(2)、式(3)可得誤差校正因子：

當(dāng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)S3閉合，利用計(jì)算出的誤差校正因子和誤差校正公式(1)，即可求出校正后的輸出信號(hào)y。
2．2 傳感器溫度補(bǔ)償方法
對(duì)壓力傳感器來說，環(huán)境溫度對(duì)其測(cè)量結(jié)果有較大的影響，為了消除溫度引起的誤差，需要對(duì)傳感器的信號(hào)做溫度補(bǔ)償。通過測(cè)量傳感器的工作溫度實(shí)現(xiàn)傳感器溫度的補(bǔ)償。傳感器的溫度誤差校正模型為：

式中：y為測(cè)量值；yc經(jīng)溫度補(bǔ)償后的測(cè)量值；△φ為傳感器的實(shí)際工作溫度與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量溫度之差；a0為校正溫度變化引起的傳感器標(biāo)度變化系數(shù)，a1為校正溫度引起的傳感器零位漂移變化系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)反映了傳感器的溫度特性。
2．3 隨機(jī)誤差消除方法
系統(tǒng)采用算術(shù)平均的數(shù)字濾波方法消除系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，通過連續(xù)N個(gè)采樣值取其算術(shù)平均值，得數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

適合用于對(duì)具有隨機(jī)干擾信號(hào)的濾波。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
依據(jù)系統(tǒng)的誤差校正和溫度補(bǔ)償方法，可得系統(tǒng)的硬件連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中模擬多路開關(guān)AD7502的4個(gè)輸入通道分別為：A1A0=00，選通S0，S0通道接地，用于零點(diǎn)漂移校準(zhǔn)；A1A0=01，選通S1，S1通道接+5 V(為AD1674最大輸入電壓的50％)，用于增益誤差校正；A1A0=10，選通S2，S2通道接溫度測(cè)量信號(hào)，用于傳感器的溫度補(bǔ)償；A1A0=11，選通S3，S3通道連接壓力測(cè)量信號(hào)。通道選通信號(hào)A0，A1由FPGA芯片中的DAS_A0和DAS_A1引腳控制。

系統(tǒng)中A／D轉(zhuǎn)換器AD1674采用獨(dú)立工作模式，其控制引腳設(shè)置為：CE和12／8接高電平；CS和A0接低電平。此時(shí)，AD1674設(shè)置為12位A／D轉(zhuǎn)換，12位數(shù)據(jù)輸出，其轉(zhuǎn)換完全由R／C控制，如圖2所示。當(dāng)R／C=O時(shí)，啟動(dòng)12位A／D轉(zhuǎn)換；當(dāng)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，狀態(tài)信號(hào)STS=0，否則STS=1；當(dāng)R／C=1時(shí)，讀取12位A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。R／C信號(hào)由FPGA芯片的DAS_RC控制。整個(gè)系統(tǒng)由基于FPGA的片上系統(tǒng)(SoC)控制。其中，F(xiàn)PGA芯片中的DAS_STS，DAS_RC，DAS_IN，DAS_A引腳為用戶定制邏輯，即DAS控制單元的外部接口，用于控制AD1674的工作時(shí)序轉(zhuǎn)換和AD7502的通道選擇。