基于ZIGBEE的壓力傳感器標定系統的研究

摘要：針對隨鉆測量系統中壓力傳感器需要標定的問(wèn)題，本文采用C8051F060作為微處理器，配合ZIGBEE無(wú)線(xiàn)傳輸模塊及標準自動(dòng)加壓臺，設計了一種對未知壓力傳感器進(jìn)行智能標定的系統，經(jīng)過(guò)室內試驗和現場(chǎng)試驗驗證，這種壓力標定系統具有易操作、穩定性好、精度高等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足壓力傳感器標定要求。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)數傳；傳感器標定；最小二乘法；USB

在旋轉導向鉆井中，隨鉆測量的信息主要靠泥漿脈沖傳遞，因此，壓力信息的采集就則顯得極為重要。壓力傳感器在使用一段時(shí)間后，因為各種原因造成誤差偏大，并且需要校準。壓力傳感器一般采用電橋式電路結構，以提高輸出靈敏度。但一個(gè)微應變電橋輸出只有2 mV左右，即使在滿(mǎn)載情況下，應變片的最大輸出也只20 mV左右，這就要求前置測量放大電路具有高增益、高精度、低噪聲和低漂移等特點(diǎn)，而
一般的運放和A／D不具備上述特點(diǎn)，使用內置PGA的4．8 kHz、超低噪聲、24位∑-△型的A／D，AD7190則可以較好的解決上述問(wèn)題。另外傳統的壓力傳感器的標定都是使用于搖式活塞壓力臺，效率低下，人為誤差較大，且比較危險。本系統通過(guò)軟件控制自動(dòng)加壓臺，在不同梯度下對壓力傳感器進(jìn)行標定，提高了標定效率和精度，且較為安全。

1 整體方案
系統設計方案如圖1所示。系統主要由信號調理模塊、數據采集模塊、數據傳輸模塊、及上位機軟件處理等模塊組成。其中A／D采集模塊，使用內置PGA的4．8 kHz、超低噪聲、24位∑-△型的高精度A／D；通汛接口采用通用的RS232串行接口；無(wú)線(xiàn)傳輸模塊采用了頻率為2．4 GHZ的ZIGBEE通訊模塊，具有較高的數據通訊速率，ZIGBEE具有自組網(wǎng)的能力，對多組網(wǎng)及后續設備的升級有很好的擴展性；控制芯片采用了C8051F060，其豐富的硬件資源，使得系統大大簡(jiǎn)化；接口模塊采用了PL2303芯片將RS232轉換成USB總線(xiàn)，方便與計算機連接；數據處理模塊采用了常用的個(gè)人PC機，相對一般的MCU在處理數據的速度和能力上均有明顯優(yōu)勢。

2 系統原理
最小二乘法是一種在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中獲得廣發(fā)應用的數學(xué)處理方法，可以用來(lái)擬合經(jīng)驗公式以及回歸等數據處理問(wèn)題。其原理如下。

以上就是最小二乘法的正規方程，也是最終用來(lái)計算的方程。

3 系統硬件設計
1)電源電路設計及實(shí)現
如圖2所示，ADP3303屬于A(yíng)DP330x系列精密低壓差anyrCAP穩壓器，采用新穎的架構、改良的工藝和新封裝，與傳統LDO相比性能更出色。它采用專(zhuān)利設計，僅需一個(gè)0．47 μF輸出電容便可保持穩定。ADP3303在室溫條件下可達到±0．8％的出色精度，溫度、線(xiàn)路和負載調節的整體精度為±1．4％。200 mA時(shí)，其壓差僅180 mV(典型值)。

ADP3303具有較寬的輸入電壓范圍(3．2～12 V)，并提供200 mA以上的負載電流。該器件具有一個(gè)錯誤標志，當該器件即將產(chǎn)生失調時(shí)，或者短路、熱過(guò)載保護激活時(shí)，該錯誤標志會(huì )顯示相關(guān)信息。其它特性包括關(guān)斷和可選降噪功能。
2)AD采集電路的設計及實(shí)現
壓力傳感器廣泛的采用壓阻式設計，壓阻式傳感器是利用半導體的電阻率隨應力變化的性質(zhì)制成的半導體器件，它在半導體材料的基片上用集成電路工藝擴散電阻，并將擴散電阻直接作為敏感元件。硅壓阻式壓力傳感器的核心部分是一圓形硅膜片，集成在硅片上的4個(gè)等值電阻連成平衡電橋，當被測壓力作用于硅片上時(shí)，電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生電壓輸出。外界壓力通過(guò)外殼的直接加到傳感硅片上，引起傳感硅片上惠斯通電橋的4個(gè)電阻阻值發(fā)生變化。
為了獲得精確的壓力值就必須給AD和傳感器提供高精度的電壓參考源，ADR421為超精密、第二代外加離子注入場(chǎng)效應管(XFET)基準電壓源，具有低噪聲、高精度和出色的長(cháng)期穩定特性，采用SOIC和MSOP封裝。利用溫度漂移曲率校正專(zhuān)利技術(shù)和XFET技術(shù)，可以使電壓隨溫度變化的非線(xiàn)性度降至最小。XFET架構能夠為帶隙基準電壓源提供出色的精度和熱滯性能。與嵌入式齊納二極管基準電壓源相比，還能以更低的功耗和更小的電源裕量工作。ADR421具有出色的噪聲性能、穩定性和精度，非常適合高精密數據采集、轉換等應用。在本系統中為壓力傳感器供電，激勵傳感器將物理信號轉換成電信號。

如圖3所示，AD7190提供集成式壓力傳感器解決方案，具有壓力傳感器接口，可以直接連接壓力傳感器，其中AIN+、AIN-是壓力傳感器的輸出端，REF-、REF+為傳感器激勵電壓。為了提高系統精度需在模擬輸入端采用一些濾波器，本系統使用的是低通濾波器。在基準電壓引腳上配置一些電容等外部元件，以滿(mǎn)足電磁屏蔽(EMC)要求。AD7190的DIN、DOUT／RDY、SCLK、／CS、／SYNC分別于C8051F060的P3．0-3．4連接。
來(lái)自壓力傳感器的低電平信號由AD7190的內置PGA放大。該PGA經(jīng)過(guò)編程，以128的增益工作。AD7190的轉換結果送至微控制器C8051F06 0，并通過(guò)ZIGBEE模塊傳輸至上位機進(jìn)行儲存和處理。AD7190具有單獨的模擬電源引腳和數字電源引腳。模擬部分必須采用5 V電源供電。數字電源獨立于模擬電源，可以為2．7～5．25 V范圍內的任意電壓。微控制器采用3．3 V電源。因此，DVDD也采用3．3 V電源供電。這樣就無(wú)需外部電平轉換，從而可以簡(jiǎn)化ADC與微控制器之間的接。
3)數據傳輸電路的設計及實(shí)現
XBee ＆ XBee-PRO 802．15．4OEM無(wú)線(xiàn)射頻模塊，具有很強的協(xié)議兼容性，可以很好的匹配ZIGBEE網(wǎng)絡(luò )，無(wú)須額外射頻通訊配置。只需將MCU的UART端口與相對應的ZIGBEE模塊的RTS、CTS、GND對應連接即可，可以使用標準AT指令配置工作方式，默認波特率為9600bps。

4 系統軟件設計
根據設計的要求和軟硬件模塊劃分，本系統的軟件主要完成數據采集、溫度采集、數據傳輸、控制加壓程序數據處理、最終給出標定報表等相關(guān)參數。其中數據采集，溫度采集，及數據傳輸部分由下位機完成。信息的顯示及處理有上位PC進(jìn)行處理。MCU運行后首先對系統進(jìn)行初始化操作，其中初始化包含，晶振初始化，端口初始化，通訊初始化等；然后啟動(dòng)溫度采集及數據采集，待到數據達到傳輸要求時(shí)，進(jìn)行數據傳輸；在上位機得到數據傳輸結果時(shí)開(kāi)始對數據進(jìn)行分組處理，最后使用最小二乘法對數據曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，最終得出軟件設計流程；上位機軟件流程圖如圖4所示，下位機軟件如圖5所示。

5 試驗數據及分析
1)P=f(T，V)，存室溫下可以忽略T的影響，即P=kv+b，其中K為標定系數，b為起始基準；
2)試驗數據處理擬合公式：
y(MPa)=abx(bit) (5)
由3組正反行程測得的數據進(jìn)行繪圖如圖6所示，每一臺階都是對同一個(gè)壓力點(diǎn)進(jìn)行多次采樣獲得，臺階的“橫線(xiàn)”為測試值的平均值，求取平均值可以去除一定的干擾且可以接近真實(shí)值。鑒于測試數據量較大，此處以圖表的形式直觀(guān)而形象的表征壓力傳感器標定的方法及過(guò)程。從圖6中可以看出，量化臺階并非是直線(xiàn)，這就說(shuō)明在傳輸的過(guò)程中有高頻信號的十擾，可以使用數字濾波的方法是測試的值較為準確的接近真實(shí)值。

如圖6所示，橫軸為采樣點(diǎn)數，即相對時(shí)間，縱軸為壓力量化臺階值(壓力信號轉化成的數字量)。每一個(gè)臺階都包含相同壓力下采樣的大量數據。壓力傳感器標定試驗，在一定的時(shí)間間隔內從低壓加開(kāi)開(kāi)始加壓至高壓，然后逐步按照等間隔時(shí)間泄壓，反復行程3次，通過(guò)滑動(dòng)平均值求出其穩定值。最終進(jìn)行最小二乘法數據擬合。得出相關(guān)壓力參數。使用時(shí)用式(1)～(5)變換即可得出實(shí)際壓力值。

6 結論
該壓力標定系統通過(guò)現場(chǎng)實(shí)驗的測試，具有穩定、高效、可靠等特點(diǎn)，通過(guò)多次實(shí)驗驗證了該系統的精度和準確性，達到了設計要求，可以滿(mǎn)足工程測量及標定要求。同時(shí)為后續系統升級擴展提供了理論和硬件基礎。