基于MAX1452的壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 1 緒論1.1 課題背景及研究意義 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，非電量的測(cè)試與控制技術(shù)已經(jīng)越來(lái)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(dòng)檢測(cè)與計(jì)量等技術(shù)領(lǐng)域。而且隨著社會(huì)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(shuō)測(cè)試技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)水平的高低是衡量科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一1。傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)發(fā)展的水平再高，依舊無(wú)法進(jìn)行測(cè)試和控制。任何一種傳感器在制造、使用時(shí)都需要對(duì)其設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，以確定傳感器的基本性能。硅壓阻式傳感器是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)和航天測(cè)量的基本部件。由于

2、半導(dǎo)體材料組成的硅壓阻式傳感器普遍存在著：一致性、溫漂和非線性等問(wèn)題，在使用過(guò)程中都要進(jìn)行補(bǔ)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(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展，對(duì)于硅壓阻式傳感器的矯正與補(bǔ)償都采用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，這樣的方法具有補(bǔ)償精度高、工作穩(wěn)定、體積精巧和傳輸方便等特點(diǎn)。這種方法組成的傳感器信號(hào)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(cè)量系統(tǒng)，甚至能很方便的接入internet網(wǎng)絡(luò)。據(jù)光電行業(yè)開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)(oida)做出的最新預(yù)測(cè)，從2003年到2006年期間，智能傳感器的國(guó)際市場(chǎng)銷(xiāo)售量將以每年

3、20的高速度增長(zhǎng)2。對(duì)于傳統(tǒng)傳感器采用模擬方式對(duì)信號(hào)在模擬域進(jìn)行處理，校準(zhǔn)與補(bǔ)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(bǔ)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(diǎn)：1、 補(bǔ)償精度受限于傳感器的非線性誤差和溫度特性；2、 補(bǔ)償器件同樣受溫度漂移困擾；3、 自動(dòng)化調(diào)理設(shè)備價(jià)格昂貴；4、 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)。本設(shè)計(jì)應(yīng)用精密的信號(hào)調(diào)理器max1452的調(diào)理技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了硅壓阻式傳感器的補(bǔ)償與標(biāo)定系統(tǒng)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)一直是學(xué)術(shù)領(lǐng)域一個(gè)比較活躍的課題。近十幾年來(lái)，它從原來(lái)主要應(yīng)用于軍事國(guó)防領(lǐng)域，逐漸向

4、民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)變，使得在這方面研究的人越來(lái)越多3。對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，國(guó)外相對(duì)而言研究的時(shí)間較長(zhǎng)，涉及的領(lǐng)域也更寬一些。像美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、印度等，都取得了較高的水平。在國(guó)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。我國(guó)從60年代開(kāi)始對(duì)傳感技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)在高精度智能化補(bǔ)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(jī)械研究所等都在這方面作了一些具體的研究。國(guó)外近年來(lái)，傳感器的信號(hào)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motoro

5、la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(guó)honeywell公司生產(chǎn)的st3000系列、st30009002000系列智能壓力傳感器；maxim公司生產(chǎn)的maxl450信號(hào)調(diào)理器、maxl452型高精度硅壓阻式壓力信號(hào)調(diào)理器芯片、maxl458數(shù)字式壓力信號(hào)調(diào)理器等。很多公司推出了在內(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(hào)調(diào)理芯片，可以補(bǔ)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(gè)參數(shù)。這些芯片為開(kāi)發(fā)高性能的補(bǔ)償與標(biāo)定系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)和條件4。國(guó)內(nèi)傳感器技術(shù)的制造工藝技術(shù)和專(zhuān)用工藝設(shè)備的落后，使傳

6、感器的穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題長(zhǎng)期得不到根本解決，限制了國(guó)產(chǎn)傳感器的使用范圍和可信程序。與國(guó)外傳感器特別是高技術(shù)含量的傳感器相比，國(guó)產(chǎn)傳感器存在較大的差距。經(jīng)過(guò)多年開(kāi)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(shí)用性得不到很好解決。隨著計(jì)算機(jī)、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(gè)飛躍。智能傳感器的出現(xiàn)，就是計(jì)算機(jī)、微電子等新技術(shù)與傳感技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果。隨著近年來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式計(jì)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、功耗低，同時(shí)具有感知能力、計(jì)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

7、感器可以感知周?chē)沫h(huán)境，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，同時(shí)可以通過(guò)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(diǎn)協(xié)同組織起來(lái)的5。 傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)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(diǎn)領(lǐng)域，是信息感知和采集的一場(chǎng)革命，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，它將會(huì)對(duì)人類(lèi)未來(lái)的生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響6。2003年2月份的美國(guó)技術(shù)評(píng)論雜志評(píng)出對(duì)人類(lèi)未來(lái)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(guó)商業(yè)周刊認(rèn)為，智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)是全球未來(lái)四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。近幾年來(lái)在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)規(guī)劃署、美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)和其它軍事部門(mén)的資助下，美國(guó)科學(xué)家正在對(duì)化傳感器網(wǎng)絡(luò)所

8、涉及的各個(gè)方面進(jìn)行了深入的研究。智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)隨機(jī)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(hù)終端7。從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在的計(jì)算”理念。智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)作為“無(wú)處不在”思想衍生的產(chǎn)物，可以被廣泛地應(yīng)用在國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、抗災(zāi)搶險(xiǎn)等領(lǐng)域，擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值。從目前國(guó)外的研究進(jìn)展來(lái)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

9、國(guó)很早就開(kāi)始這方面的研究，但直到近幾年，這方面的研究活動(dòng)才在各大學(xué)及研究所蓬勃開(kāi)展起來(lái)。美國(guó)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(zhuān)題中，便有一個(gè)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(wàn)美元，美國(guó)國(guó)防部在這方面的投入更為巨大。在其它國(guó)家和地區(qū)，如歐洲、日本、澳大利亞也開(kāi)展了不少關(guān)于傳感器及傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作。 我國(guó)智能傳感器的研究主要集中在專(zhuān)業(yè)研究所和大學(xué)，始于八十年代中期。八十年代末中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)等大專(zhuān)院校相繼報(bào)道了研究成果。九十年代初，國(guó)內(nèi)幾家研究機(jī)構(gòu)采用混合集成技術(shù)成功的研制出實(shí)用的智能傳感器，標(biāo)志著我國(guó)智能傳感器的研究

10、進(jìn)入了國(guó)際行列。但是與國(guó)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(jì)算、模擬和設(shè)計(jì)方法8。但是由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)新興技術(shù)，及時(shí)開(kāi)展這項(xiàng)對(duì)人類(lèi)未來(lái)生活影響深遠(yuǎn)的前沿科技的研究，對(duì)整個(gè)國(guó)家的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)將有重大的戰(zhàn)略意義。1.3 課題的主要研究?jī)?nèi)容 隨著國(guó)防工業(yè)的不斷發(fā)展，飛機(jī)、導(dǎo)彈等的結(jié)構(gòu)無(wú)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(duì)準(zhǔn)確參數(shù)的測(cè)試顯得越發(fā)重要。用于表面壓力監(jiān)測(cè)的壓力傳感器性能要求相對(duì)其他應(yīng)用有所不同，要求尺寸小、厚度薄、靈敏度和分辨率高、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(diǎn)輸出、熱零點(diǎn)漂移、熱靈敏度漂移和非線性等問(wèn)題，

11、影響傳感器的精確性。因此，必須采取有效措施，減少并補(bǔ)償這些因素影響帶來(lái)的誤差，提高傳感器的準(zhǔn)確性。利用低成本精密信號(hào)調(diào)理器 max1452對(duì)mems壓力傳感器做數(shù)字補(bǔ)償，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模擬方式補(bǔ)償精度受限于傳感器誤差的非線性，且補(bǔ)償元件同樣受溫度漂移等缺點(diǎn)9。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容章節(jié)安排如下：第一章緒論，介紹了涉及課題的研究背景、意義和現(xiàn)狀，補(bǔ)償系統(tǒng)，以及該設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。第二章硅壓阻式傳感器的硬件設(shè)計(jì)，分析了現(xiàn)有各種壓力傳感元件的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)課題需要選用小尺寸的傳感元件，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的補(bǔ)償電路，詳細(xì)論述了各參數(shù)測(cè)試電路原理圖。第三章詳細(xì)的介紹了硅壓阻式傳感器補(bǔ)償?shù)能浖O(shè)計(jì)，本課題采用高性能、低價(jià)格、

12、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(shí)時(shí)性都得到了較好的保證。 第四章介紹了傳感器的校準(zhǔn)，采用數(shù)字化信號(hào)調(diào)理技術(shù)進(jìn)行傳感器的零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)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(zhuān)用校準(zhǔn)設(shè)備，設(shè)計(jì)專(zhuān)用的調(diào)試軟件對(duì)傳感器進(jìn)行輔助調(diào)試。2 基于max1452的壓力傳感器硬件研究2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 基于半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)制成的硅壓力傳感器在測(cè)量過(guò)程中要和被測(cè)物接觸才能得到測(cè)量結(jié)果。由于被測(cè)物體的溫度變化會(huì)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(huì)引起傳感器輸出的溫度漂移。同時(shí)，由于制造工藝所造成的傳感器電橋電

13、阻的不嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)、橋臂電阻的漏電流以及裝配應(yīng)力等因素10 目前，對(duì)此類(lèi)傳感器的補(bǔ)償方案有很多，該系統(tǒng)是針對(duì)集成一體化的傳感器調(diào)理電路方案而設(shè)計(jì)的一套基于 max1452溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，對(duì)硅壓力傳感器的溫度漂移和非線性誤差進(jìn)行補(bǔ)償與校正。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定好補(bǔ)償和校正參數(shù)后，max1452補(bǔ)償電路可以在規(guī)定溫度范圍內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行全自動(dòng)補(bǔ)償，以提高測(cè)量精度和效率11。 如圖2.1所示系統(tǒng)由4部分組成：上位機(jī)、上位機(jī)與max1452之間的接口模塊、max1452補(bǔ)償模塊以及硅壓力傳感器。1是被校正的傳感器，2是 max1452補(bǔ)償模塊，用于對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。3是pic單片機(jī)，作為上位機(jī)與max1452之間

14、的接口模塊，并且單片機(jī)通過(guò) rs232與上位機(jī)4相連，對(duì)max1452發(fā)送的所有命令都由上位機(jī)的軟件來(lái)控制，單片機(jī)接收上位機(jī)的命令之后對(duì)max1452進(jìn)行操作，并將命令發(fā)送到max1452中。這樣，上位機(jī)就可以對(duì)max1452進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交換2補(bǔ)償電路4上位機(jī)3接口模塊1傳感器 rs-232通訊圖2.1 補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 傳感器2.2.1 壓力傳感器選型 為滿足對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。我們對(duì)壓電式、電容式、以及壓阻式三種基于不同測(cè)量原理的微型壓力傳感器進(jìn)行比較選型。（1） 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(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電路簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)，但是，因自身

15、所具有的較高噪聲電平，不太適合流體力學(xué)的檢測(cè)應(yīng)用。（2） 電容式傳感器：把被測(cè)的機(jī)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(diǎn)是空間分辨率相對(duì)較大，對(duì)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(diǎn)在于需要具有集成電子設(shè)備用于小電容信號(hào)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。（3） 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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出阻抗低、線性度高、靈敏度高、輸出信號(hào)是方便使用的電壓，存在的主要問(wèn)題是壓阻材料對(duì)應(yīng)力變化和溫度變化都極為敏感，即

16、溫度敏感性和漂移大，但可以通過(guò)溫度補(bǔ)償電路予以補(bǔ)償。因?yàn)閴鹤枋綁毫鞲衅骶哂心て叽缧?、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)集成性好等優(yōu)點(diǎn)，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，具有微型化、低功耗、高精度、易配微處理器等優(yōu)點(diǎn)；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(cè)量13。sm5420壓力傳感器有如下特點(diǎn)：超小體積、超低成本；表面安裝（so-8）結(jié)構(gòu)，適用于自動(dòng)化元件貼裝；工作溫度：-40125；靜態(tài)精度小于±0.2%fso；可提供100、20

17、0、350 和700kpa的絕壓量程。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(shí)，引起橋臂阻值發(fā)生變化，從而引起電壓信號(hào)產(chǎn)生變化，這些信號(hào)經(jīng)信號(hào)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(hào)，代表了壓力值的大小和方向，產(chǎn)生一個(gè)與輸入壓力成正比的電壓信號(hào)，用戶(hù)可通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)電路對(duì)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。壓力傳感器sm5420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各引腳如圖152.2。圖2.2 sm5420內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳2.2.2 補(bǔ)償模塊 壓阻式傳感器利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)來(lái)進(jìn)行壓力測(cè)量，因?yàn)榫哂畜w積小、重量輕、分辨率高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。但由

18、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(wèn)題：（1）一致性問(wèn)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(huì)有比較大的離散性，為了保證足夠的精度必須對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)16。（2）溫漂問(wèn)題：半導(dǎo)體材料對(duì)于溫度變化很敏感，因此溫漂問(wèn)題在壓阻式傳感器中尤其顯得突出，實(shí)際應(yīng)用中必須采取一定措施對(duì)傳感器的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。（3）非線性問(wèn)題：這是普遍存在于各種傳感器中的問(wèn)題，為了便于信號(hào)的傳送及處理必須對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行線性化處理17。（4）傳感器的原始輸出信號(hào)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(hào)標(biāo)準(zhǔn)化。以上這些問(wèn)題需要利用適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理電路加以解決，

19、傳統(tǒng)的變送器普遍采用完全模擬的方式對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償，信號(hào)在模擬域進(jìn)行處理，校準(zhǔn)與補(bǔ)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(bǔ)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(duì)信號(hào)進(jìn)行量化，信號(hào)通道還是模擬的，采用數(shù)字方式對(duì)傳感器激勵(lì)和放大器的增益和失調(diào)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高精度的校準(zhǔn)和補(bǔ)償。本課題選用maxim公司生產(chǎn)的低成本精密信號(hào)調(diào)理器max1452對(duì)壓力傳感器做數(shù)字補(bǔ)償。max1452為16引腳ssop封裝，是一款高度集成的模擬傳感器信號(hào)處理器，優(yōu)化于工業(yè)和過(guò)程控制中采用阻性元件的傳感器。max

20、1452具有放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)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(hào)通道不會(huì)在輸出信號(hào)引入量化噪聲，利用集成的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)實(shí)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(duì)信號(hào)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。max1452的功能框圖見(jiàn)圖2.3。 圖2.3 max1452功能框圖通過(guò)max1452的功能框圖可知其包含可編程傳感器激勵(lì)、16級(jí)可編程增益放大器(pga)、768字節(jié)(6144位)內(nèi)部eeprom、四個(gè)16位dac、一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器以及內(nèi)部溫度傳感器。除偏移量和跨度補(bǔ)償外，max1452還利用偏移溫

21、度系數(shù)(offset tc)和跨度溫度系數(shù)(fsotc)提供獨(dú)特的溫度補(bǔ)償，在提供靈活性的同時(shí)降低了測(cè)試成本19。本課題中應(yīng)用max1452的基本原理如下：max1452主通道為完全模擬量通道，傳感器信號(hào)的放大、校準(zhǔn)、補(bǔ)償?shù)榷荚谥魍ǖ乐袑?shí)現(xiàn)。其通過(guò)五個(gè)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(lái)具體實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)、補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｆ渲衒sodac、fsotc dac寄存器的數(shù)字量（0ffff）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電流值（02ma），直接加到惠斯通橋式敏感頭電源引腳上，來(lái)給敏感頭供電，通過(guò)此功能可以對(duì)傳感器的靈敏度（即fso）進(jìn)行調(diào)整

22、和溫度補(bǔ)償?shù)?；odac、ot c dac寄存器的數(shù)字量（0ffff）轉(zhuǎn)換成模擬電壓值，直接加到其模擬通道上，通過(guò)此功能可以對(duì)傳感器的偏置（offset）進(jìn)行校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償?shù)?；另外，模擬通道也可以通過(guò)對(duì)config寄存器填入?yún)?shù)來(lái)對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換、偏置調(diào)節(jié)以及放大等。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(guò)溫度尋址eeprom來(lái)刷新數(shù)據(jù)，otc dac、fsotc dac、config寄存器從eeprom固定地址來(lái)刷新數(shù)據(jù)；調(diào)試工作模式下，通過(guò)計(jì)算機(jī)串口往（

23、max1452）五個(gè)寄存器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試20。2.2.3 壓力測(cè)試電路原理圖 利用2.2.1和2.2.2中所提到的壓力傳感器sm5420和信號(hào)調(diào)理器max1452組成的壓力測(cè)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(hào)產(chǎn)生變化。如圖所示，sm5420的+in端與max1452的電橋驅(qū)動(dòng)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(guò)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(gè)1k的電阻，vddf和vdd與vs

24、s之間需要連接一個(gè)0.1f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(duì)壓力傳感器的在線校準(zhǔn)調(diào)試。r4、r5、c5、c7和max1452內(nèi)部的運(yùn)放構(gòu)成二階低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。圖2.4 壓力測(cè)試單元原理圖2.3控制模塊2.3.1 微控制器 在當(dāng)今微控制器市場(chǎng)，各種微控制器都有其獨(dú)有特點(diǎn)，至于具體選擇哪種微控制器型號(hào)，則完全遵循工程應(yīng)用的實(shí)際需要和經(jīng)濟(jì)性原則。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(cè)試信息管理模塊的數(shù)據(jù)采集及處理微控制器，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理，然后通過(guò)485總線將數(shù)據(jù)輸出?；?/p>

25、于本課題對(duì)器件體積小、價(jià)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。c8051f410是silicon lab公司新近推出的小封裝、高性能、低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型mcu，適合于測(cè)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(jī)、電子玩具等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。具有體積小、價(jià)格低、運(yùn)算速度快、功能全及微功耗等特點(diǎn)，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(shí)間，很適合于要求控制器體積小、能進(jìn)行快速運(yùn)算的高速實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合21。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5所示。圖2.5 c8051f410內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖c8051f41

26、0的結(jié)構(gòu)和性能很適合在本課題的行測(cè)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：（1）具有體積小、價(jià)格低、運(yùn)算速度快、功能全及微功耗等特點(diǎn)，很適合于要求控制器體積小、能進(jìn)行快速運(yùn)算的高速實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合；（2）它具有多達(dá)24個(gè)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(hào)輸入采集要求，可編程轉(zhuǎn)換速率最大可達(dá)200ksps；（3） 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)c/os-提供了條件；（4）方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境，flash型c8051f410單片機(jī)有c2調(diào)試接口，這種

27、單片機(jī)的調(diào)試只需一臺(tái)pc機(jī)和一個(gè)jtag調(diào)試器，而不需要專(zhuān)用的仿真器和編程器，這種高度方式方便、廉價(jià)；（5） 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(jià)格低廉，也符合系統(tǒng)低成本的要求。 本課題在電路設(shè)計(jì)時(shí)，c8051f410中的p1.3p1.7，p0.0p0.3，p0.7，p2.0p2.5均可作為adc輸入，一共16個(gè)adc通道，用于采集的端口接rc濾波器，r為470歐，c為0.01f。p0.4和p0.5用于串行通信。c2d和c2ck為單片機(jī)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

28、。圖2.6 硬件電路原理圖2.3.2 數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計(jì) 串行數(shù)據(jù)通信以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)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(jī)提供了可方便與計(jì)算機(jī)或其他串行設(shè)備連接的異步通信口。為了實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的遠(yuǎn)程傳感信號(hào)的數(shù)字處理與變送，總希望用最少的信號(hào)線來(lái)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(hào)線的傳送方式，具備多點(diǎn)、雙向通信能力，在多站點(diǎn)互連方面使用十分方便，通訊接口可以采用max490芯片。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(dòng)器將ttl電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出；在接收端，接收器將差分信號(hào)變成ttl電平，因此具有抑制

29、共模干擾的能力，而且接收器具有高的靈敏度，能檢測(cè)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(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信。而采用四線連接時(shí)，與rs-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多的通信，即只能有一個(gè)主（master）設(shè)備，其余為從設(shè)備，但它比rs-422有改進(jìn)，無(wú)論四線還是二線連接方式總線上可連接多達(dá)32個(gè)設(shè)備，sipex公司新推出的sp485r最多可支持400個(gè)節(jié)點(diǎn)。rs-485最大傳輸速率為10mb/s。當(dāng)波特率為1200bps時(shí)，最大傳輸距離理論上可達(dá)15千米。平衡雙絞線的長(zhǎng)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(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。

30、rs-485共模輸出電壓在-7v至+12v之間，接收器最小輸入阻抗為12k。本課題采用四線制rs-485總線全雙工通信，用兩對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。其互連方案如圖2.7所示。 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(shí)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 0.5v0.8v 之間，邏輯“1”在2.0vvcc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

31、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(shuō)明如下：（1） vcc正電源端；（2） ro 接收器輸出端。若a大于b200mv，ro為高；a小于b200 mv，ro為低；（3） di驅(qū)動(dòng)器輸入端。di為低時(shí) ，輸出a低b高；di為高時(shí)，輸出b低a高；（4） gnd地；（5） y 驅(qū)動(dòng)器非反相輸出端；（6） z 驅(qū)動(dòng)器反相輸出端；（7） b接收器的反相輸入端和驅(qū)動(dòng)器的反相輸出端；（8） a接收器的同相輸入端和驅(qū)動(dòng)器的同相輸出端。圖2.7 rs485組網(wǎng)通信圖圖2.8 max490內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 c8051f410單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，數(shù)據(jù)發(fā)送端為p0.4(tx)

32、，數(shù)據(jù)接收端為p0.5(rx)，它們分別與max490的驅(qū)動(dòng)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(kāi)始和末端都并接電阻進(jìn)行終端匹配，阻值為120。如圖2.9所示。圖2.9 單片機(jī)與max490的接口電路 2.3.3整體的電路測(cè)試圖 將各部分電路測(cè)試圖連接構(gòu)成整體的電路圖，如圖2.10。對(duì)整體的原理圖用protel99se做出測(cè)試電路的pcb圖，如圖2.11。圖2.10 校正電路原理圖圖2.11 測(cè)試電路pcb版3 軟件設(shè)計(jì)3.1 軟件設(shè)計(jì)概述硬件電路設(shè)計(jì)完成后，測(cè)試系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能還要依賴(lài)于軟件的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正?？煽康墓ぷ?，除了硬件的合理設(shè)計(jì)外，與功能完善的軟件

33、設(shè)計(jì)是分不開(kāi)的。本課題所設(shè)計(jì)的軟件結(jié)合采用51單片機(jī)c語(yǔ)言完成系統(tǒng)的整個(gè)流程控制以及運(yùn)算處理等工作。3.2 單片機(jī)編程 軟件與硬件的有機(jī)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(méi)有知識(shí)或頭腦干脆有了疾病，則工作能力就會(huì)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(jì)完成后，系統(tǒng)的主要功能將依賴(lài)于系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正常可靠的工作，自動(dòng)化程度的高低，智能實(shí)施控制的能力大小，除了硬件的合理設(shè)計(jì)外，很大程度上取決于功能完善、算法先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)。程序的編制過(guò)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(qiáng)的編程風(fēng)格，有助于縮

34、短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)便于日后的維護(hù)和改進(jìn)22。作為程序設(shè)計(jì)人員，要對(duì)軟件的編制特點(diǎn)有深刻的理解。單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)有其自身的特點(diǎn)。首先，單片機(jī)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(jī)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(jì)不具有通用性，必須根據(jù)具體的硬件設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的軟件。硬件設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到軟件設(shè)計(jì)的難易和質(zhì)量，軟件設(shè)計(jì)的水平又直接影響硬件功能的發(fā)揮。同時(shí)，很多時(shí)候軟件可以替代硬件的功能。單片機(jī)的應(yīng)用一般都是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，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(cuò)能力也必須強(qiáng)。除了以上所述單片機(jī)編程的一些特

35、點(diǎn)外，也同樣有一般軟件的共同特點(diǎn)。首先，應(yīng)采用合理、正確的算法，以合理的資源耗費(fèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。其次，軟件應(yīng)具有模塊化，可讀性強(qiáng)，可維護(hù)性好的特征。軟件的設(shè)計(jì)按如下步驟進(jìn)行：（1）分析問(wèn)題，明確所要解決問(wèn)題的具體要求，編寫(xiě)任務(wù)說(shuō)明書(shū)；（2）根據(jù)具體要求，確定軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能；（3）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(shí)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； （4）確定算法，根據(jù)不同的功能，選擇或設(shè)計(jì)不同的算法。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)； （5）確定數(shù)據(jù)類(lèi)型、規(guī)劃數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； （6）分配內(nèi)存資源，列出ram資源的詳細(xì)分

36、配清單，作為編程依據(jù)； （7）編程及調(diào)試，編制程序時(shí)，要根據(jù)算法，首先繪制出流程框圖，有時(shí)甚至需要繪制出多級(jí)框圖，逐步細(xì)化。編制完了還需要對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。對(duì)flash型c8051f410單片機(jī)來(lái)說(shuō)，有十分方便的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷?nèi)部有jtag調(diào)試接口； （8）寫(xiě)入程序，現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行。仿真運(yùn)行正確的程序就可以燒入eeprom，到現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行了。并不是可仿真運(yùn)行的程序在現(xiàn)場(chǎng)都能運(yùn)行或完全正確運(yùn)行。 （9）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況，修改硬件和軟件，使系統(tǒng)更完善，更可靠。3.2.1流程圖 根據(jù)以上介紹，畫(huà)流程圖和編寫(xiě)c語(yǔ)言程序。程序主流程圖如圖3.1。 如圖3.1運(yùn)行開(kāi)始時(shí)，先將各個(gè)寄存器進(jìn)行必要的初始化，做

37、好準(zhǔn)備，將所用到的中斷初始化成可用狀態(tài)，開(kāi)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(duì)比和校準(zhǔn)。 開(kāi)始初始化寄存器 打開(kāi)中斷 讀取數(shù)據(jù) 串口發(fā)送 圖3.1 程序主流程圖 如圖3.2程序開(kāi)始寫(xiě)入，寫(xiě)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?cè)O(shè)置的檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。選擇壓力校準(zhǔn)，無(wú)論正反行程，都先設(shè)置檢測(cè)的檢測(cè)點(diǎn)，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(dòng)作，重新設(shè)置壓力檢測(cè)點(diǎn)，再進(jìn)行校準(zhǔn)。重復(fù)以上流程，直至符合設(shè)計(jì)所要求達(dá)到的精度標(biāo)準(zhǔn)。開(kāi)始寫(xiě)入傳感器標(biāo)準(zhǔn)信息 初始化串口選擇壓力校準(zhǔn)設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)正，

38、反行程設(shè)置檢測(cè)點(diǎn) 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)符合要求 校準(zhǔn)完畢 保持?jǐn)?shù)據(jù)符合校準(zhǔn)要求 保持?jǐn)?shù)據(jù) 結(jié)束y n n n n y n n y 3.2 壓力傳感器校正流程圖3.2.2主要程序#include <c8051f410.h>#include "const.h"#include "main.h"bit receive_flag;unsigned char *receive_pointer;bit sendover;unsigned char *instruc_pointer;unsigned char data received _at_ 0x2

39、2;void com1452();void serial_init();void decide_1452(unsigned char *instruc);void send_message(unsigned char *message);extern void system_uarto_init();extern void receive();extern void uarto_enable();#ifndef _1452com_value#define _1452com_value#define calibration 0x00#define collection 0x20#define w

40、atch 0x10#define strain 0x40#define pressure 0x80#define temprature 0x00#define vibration 0xc0#endifunsigned char instruction7=0x86,0x16,0x39,0x08,0x59,0x18,0x59; void main() wdt_disable(); sysclk_init(); system_port_init(); system_uart0_init(); uart0_enable(); while(1) decide_1452(instruc_pointer);

41、 void decide_1452(unsigned char *instruc) instruc_pointer = instruction; if(*instruc_pointer & 0x30) = calibration) / 判斷指令是否是校準(zhǔn) if(*instruc_pointer & 0xc0) = strain) p20 = 1; serial_init(); com1452();if(*instruc_pointer & 0xc0) = pressure) p21 = 1; serial_init(); com1452(); if( (*instruc

42、_pointer & 0x30) = collection) / 判斷是否是指令集 if(*instruc_pointer & 0xc0) = strain) if(*instruc_pointer & 0xc0) = pressure) if(*instruc_pointer & 0xc0) = temprature) if(*instruc_pointer & 0xc0) = vibration) if(*instruc_pointer & 0x30) = watch) / 判斷指令是否是watch if(*instruc_pointer &

43、amp; 0xc0) = strain) p20 = 1;serial_init(); com1452();/ unlock0=1，strain通道可用 if( (*instruc_pointer & 0xc0) = pressure) p21 = 1;serial_init();com1452();/ unlock1=1，pressure通道可用 void com1452() unsigned char n; sendover = 0; n = *instruc_pointer & 0x0f; / n=數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 instruc_pointer+; while (n>0)

44、 if (*instruc_pointer = 0x59) send_message(instruc_pointer); instruc_pointer+; n-; if(n!=0) receive_pointer = &received; if(n=0) receive_pointer+; receive_flag = 1; / receive 信號(hào)的設(shè)置 receive(); else send_message(instruc_pointer); instruc_pointer+; n-; if(n=0) sendover = 1; / 發(fā)送消息成功 void send_messa

45、ge(unsigned char *message) es0 = 0; / 禁用uart 0中斷 tb80 = 1; / 第九位設(shè)置為1 sbuf0 = *instruc_pointer; while (!ti0); / 等一直到發(fā)送成功 if (ti0) ti0 = 0; void serial_init() es0 = 0; tb80 = 1; sbuf0 = 0xff; / 初始化串行端口 while (!ti0) ; if (ti0) ti0 = 0; sbuf0 = 0x01; / 初始化串口 while (!ti0) ; if (ti0) ti0 = 0; 4 傳感器的校準(zhǔn)及補(bǔ)償4

46、.1 校準(zhǔn)補(bǔ)償目的 測(cè)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(shí)現(xiàn)傳感器的輸入輸出特性是一條直線，也就是說(shuō)在測(cè)量范圍內(nèi)傳感器的靈敏度是一不變的常數(shù)，需要對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償23。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(duì)應(yīng)于傳感器的零點(diǎn)和靈敏度。對(duì)于實(shí)際的傳感器輸入、輸出之間的關(guān)系會(huì)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(shí)際傳感器的輸入、輸出關(guān)系可以用下式來(lái)表示： (4.1)其中，和分別代表傳感器的零點(diǎn)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(bǔ)償?shù)哪康?，就是將上式中的和調(diào)整在某個(gè)精

47、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。 1校準(zhǔn)校準(zhǔn)的目的是將式的、調(diào)整在一個(gè)統(tǒng)一、精確的值，對(duì)于壓阻式傳感器分別對(duì)應(yīng)于失調(diào)和滿偏的校準(zhǔn)。失調(diào)的校準(zhǔn)是利用高精度dac產(chǎn)生一個(gè)校準(zhǔn)電壓，疊加到經(jīng)pga放大后的傳感信號(hào)中，使傳感器的零點(diǎn)輸出為一個(gè)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(guò)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(lì)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)，傳感器的靈敏度正比于橋路的激勵(lì)電流，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)激勵(lì)電流達(dá)到校準(zhǔn)靈敏度或fso的目的24。2溫度補(bǔ)償溫度漂移是壓阻式傳感器最主要的問(wèn)題，典型傳感器的失調(diào)及fso溫漂會(huì)達(dá)到20%

48、30%左右。而對(duì)于電阻應(yīng)變片來(lái)說(shuō)，溫度的變化也會(huì)引起電阻值的變化，這樣，實(shí)際的測(cè)量結(jié)果就不完全是由于被測(cè)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(lái)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(bǔ)償。溫度的變化范圍可能會(huì)很大，而溫度漂移又具有非線性，所以max1452采用分段線性補(bǔ)償（多斜率溫度補(bǔ)償）的方法，可以補(bǔ)償任意的誤差曲線25。max1452用115個(gè)線性區(qū)段來(lái)近似實(shí)際的溫度誤差曲線，115個(gè)線性區(qū)段的補(bǔ)償系數(shù)保存在內(nèi)部eeprom中。溫度信號(hào)取自橋路的端電壓（恒流供電時(shí)，橋路端電壓與溫度有關(guān)），用一個(gè)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

49、補(bǔ)償系數(shù)26。從eeprom取出的失調(diào)和fso補(bǔ)償系數(shù)分別被寫(xiě)入兩個(gè)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： (4.2)補(bǔ)償系數(shù)通過(guò)對(duì)傳感器誤差測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬和得到。溫度測(cè)試點(diǎn)越多、曲線擬和精度越高，則補(bǔ)償精度也越高。但過(guò)多的測(cè)試點(diǎn)會(huì)增加測(cè)試工作量，增加生產(chǎn)成本。補(bǔ)償后的殘留誤差還與誤差曲線的非線性程度有關(guān)27。3非線性修正任何傳感器都存在非線性。為了信號(hào)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(xiàng)。4.2 校準(zhǔn)補(bǔ)償方法及步驟 本課題所研究的壓力及應(yīng)變校準(zhǔn)補(bǔ)償均采用數(shù)字式信號(hào)調(diào)

50、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(bǔ)償?shù)脑砑安襟E。max1452的模擬部分包含激勵(lì)傳感器橋的所有信號(hào)成分，將傳感器的微小信號(hào)放大，補(bǔ)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(hào)方框圖如圖4.1所示28。它主要由6個(gè)功能模塊構(gòu)成，各模塊功能見(jiàn)表4.1。max1452對(duì)傳感器的校準(zhǔn)和修正都是通過(guò)改變偏移量（iro）和可編程放大器（pga）的增益以及傳感器電橋上的激勵(lì)電壓或電流實(shí)現(xiàn)的。壓力傳感器的靜態(tài)參數(shù)校準(zhǔn)包括零點(diǎn)和靈敏度校準(zhǔn)。max1452的校準(zhǔn)程序相比起以前的產(chǎn)品來(lái)要簡(jiǎn)化很多。eeprom查找表里提供的對(duì)靈敏度和偏置dac的校準(zhǔn)值，可以有效的隔離校準(zhǔn)點(diǎn)上的互相依賴(lài)。另外，max1452可提供其內(nèi)部功能的高度可伸縮性和可見(jiàn)性，這樣就可以避免校準(zhǔn)前對(duì)傳感器的預(yù)測(cè)試，從而加快校準(zhǔn)過(guò)程的速度29。圖4.1 max1452模擬信號(hào)通道方框圖表4.1 max1452的模擬功能框圖功能模塊 描述橋激勵(lì)為惠斯通橋式傳感器電路提供穩(wěn)定的電流源激勵(lì)傳感器信號(hào)放大將傳感器的微伏級(jí)微分信號(hào)放大為單引腳輸出的放大電壓偏置及偏置溫度補(bǔ)償設(shè)置零點(diǎn)輸出電壓并在溫