FPGA在智能壓力傳感器系統中的應用

1 系統性能及元器件
1．1 智能傳感器系統性能要求
傳感器壓力測量范圍：0～5 MPa；系統精度：±0．1％FS；1通道模擬電壓輸入(壓力信號)大于250 sampies／通道／s；采用串行RS 232C接口輸出。
1．2 系統主要元器件及性能
根據系統的精度指標的要求選擇器件：
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(hù)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轉換器 選擇內含采樣保持器的12位A／D轉換器AD1674，其轉換時(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(kāi)關(guān) 采用四選一多路模擬開(kāi)關(guān)AD7502，其引腳設置為EN=1的使能信號；A1A0引腳為通道選擇信號。
輸出電平轉換接口 系統使用MAX232芯片完成TTL和RS 232C電平的轉換。

2 系統誤差校正方法
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為被測信號；y為系統輸出；ε，k，i為影響系統的未知量。

誤差校正過(guò)程為：
當S1閉合時(shí)，x=0，依據誤差校正公式得到式(2)，用于系統零點(diǎn)校準；

當S2閉合時(shí)，x=E(標準電壓)，得到公式(3)，用于系統增益誤差校正；

聯(lián)立式(2)、式(3)可得誤差校正因子：

當進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)S3閉合，利用計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y。
2．2 傳感器溫度補償方法
對壓力傳感器來(lái)說(shuō)，環(huán)境溫度對其測量結果有較大的影響，為了消除溫度引起的誤差，需要對傳感器的信號做溫度補償。通過(guò)測量傳感器的工作溫度實(shí)現傳感器溫度的補償。傳感器的溫度誤差校正模型為：

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

適合用于對具有隨機干擾信號的濾波。

3 系統硬件結構設計
依據系統的誤差校正和溫度補償方法，可得系統的硬件連接結構如圖2所示。圖2中模擬多路開(kāi)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；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通道接溫度測量信號，用于傳感器的溫度補償；A1A0=11，選通S3，S3通道連接壓力測量信號。通道選通信號A0，A1由FPGA芯片中的DAS_A0和DAS_A1引腳控制。

系統中A／D轉換器AD1674采用獨立工作模式，其控制引腳設置為：CE和12／8接高電平；CS和A0接低電平。此時(shí)，AD1674設置為12位A／D轉換，12位數據輸出，其轉換完全由R／C控制，如圖2所示。當R／C=O時(shí)，啟動(dòng)12位A／D轉換；當A／D轉換結束時(shí)，狀態(tài)信號STS=0，否則STS=1；當R／C=1時(shí)，讀取12位A／D轉換數據。R／C信號由FPGA芯片的DAS_RC控制。整個(gè)系統由基于FPGA的片上系統(SoC)控制。其中，FPGA芯片中的DAS_STS，DAS_RC，DAS_IN，DAS_A引腳為用戶(hù)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)序轉換和AD7502的通道選擇。