FPGA在智能壓力傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

1、fpga在智能壓力傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)傳統(tǒng)氣體壓力測(cè)量?jī)x器的部分與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是分別的，抗干擾的能力較差，并且通常被測(cè)對(duì)象的壓力變幻較快。因此不僅要求系統(tǒng)具有較快的數(shù)據(jù)吞吐速率，而且要能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境，具有較好抗干擾性能、自我檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋Ｔ诖?，利用具有擴(kuò)展靈便，可實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)()，同時(shí)具有多種ip核可供用法等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了能夠控制多路模擬開關(guān)、ad轉(zhuǎn)換、迅速數(shù)據(jù)處理與傳輸、誤差校正、溫度補(bǔ)償?shù)闹悄軅鞲衅飨到y(tǒng)；同時(shí)將傳感器與數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)集成在一起，使系統(tǒng)越發(fā)緊湊，提高了系統(tǒng)適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的能力。1 系統(tǒng)性能及元器件11 智能傳感器系統(tǒng)性能要求傳感器壓力測(cè)量范圍：05 m

2、pa；系統(tǒng)精度：±01fs；1通道模擬輸入(壓力信號(hào))大于250 sampies通道s；采納串行rs 232c接口輸出。12 系統(tǒng)主要元器件及性能按照系統(tǒng)的精度指標(biāo)的要求挑選器件：fpga芯片 選用的cycloneep2c5，其規(guī)律單元有4 608個(gè)le，26個(gè)m4k ram塊，142個(gè)用戶io引腳。采納pdcr130w，壓力范圍07 mpa，工作電壓直流1030 vdc，輸出010 v，精度±005fs，用法溫度范圍-40+125，溫度影響±0015fs。采納高精度集成溫度傳感器lm335，其敏捷度為10 mvk，精度為1，溫度范圍-40+100。ad轉(zhuǎn)換器 挑

3、選內(nèi)含采樣保持器的12位ad轉(zhuǎn)換器ad1*，其轉(zhuǎn)換時(shí)光為10 s，010 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) 采納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引腳為通道挑選信號(hào)。輸出電平轉(zhuǎn)換接口 系統(tǒng)用法max232芯片完成ttl和rs 232c電平的轉(zhuǎn)換。2 系統(tǒng)誤差校正辦法21 零點(diǎn)漂移和增益誤差的校正辦法在智能儀表中，誤差模型的誤差校正公式為：式中：b1和b0為誤差校正因子。誤差校正模型1所示，其中x為被測(cè)信號(hào)；y為系統(tǒng)輸出；，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

4、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)舉行實(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。22 傳感器溫度補(bǔ)償辦法對(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，為了消退溫度引起的誤差，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；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為校正溫度變幻引起的傳感器標(biāo)度變幻系數(shù)，a1為校正溫度引起的傳感器零位漂移變幻系

5、數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)反映了傳感器的溫度特性。23 隨機(jī)誤差消退辦法系統(tǒng)采納算術(shù)平均的數(shù)字濾波辦法消退系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，通過延續(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)償辦法，可得系統(tǒng)的硬件銜接結(jié)構(gòu)2所示。圖2中模擬多路開關(guān)ad7502的4個(gè)輸入通道分離為：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ad1*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通道銜接壓力測(cè)

6、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ad轉(zhuǎn)換器ad1*采納自立工作模式，其控制引腳設(shè)置為：ce和128接高電平；cs和a0接低電平。此時(shí)，ad1*設(shè)置為12位ad轉(zhuǎn)換，12位數(shù)據(jù)輸出，其轉(zhuǎn)換徹低由rc控制，2所示。當(dāng)rc=o時(shí)，啟動(dòng)12位ad轉(zhuǎn)換；當(dāng)ad轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，狀態(tài)信號(hào)sts=0，否則sts=1；當(dāng)rc=1時(shí)，讀取12位ad轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。rc信號(hào)由fpga芯片的das_rc控制。囫圇系統(tǒng)由基于fpga的片上系統(tǒng)(soc)控制。其中，fpga芯片中的das_sts，das_rc，das_in，das_a引腳為用戶定制規(guī)律，即das控制單元的外

7、部接口，用于控制ad1*的工作時(shí)序轉(zhuǎn)換和ad7502的通道挑選。31 soc結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)sopc設(shè)計(jì)由cpu、存儲(chǔ)器接口、標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和用戶定制規(guī)律單元模塊等組件構(gòu)成。altera的souilder工具提供了大量ip核可供調(diào)用，可以很便利地在單片fpga芯片上配置嵌入nois處理器軟核、片上ram和rs 232控制器、擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器、用戶定制規(guī)律單元，同時(shí)自動(dòng)地為系統(tǒng)的每個(gè)外設(shè)分配地址、銜接系統(tǒng)，確定設(shè)備優(yōu)先級(jí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)3所示。32 數(shù)據(jù)采集控制單元的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(das)控制單元是囫圇系統(tǒng)的核心，其輸入端口及其功能：das_sts用于接收ad1*的sts狀態(tài)信號(hào)；das_in(12位)用于接

8、收ad1*并行12位轉(zhuǎn)換輸出；clk，rst用作系統(tǒng)時(shí)鐘和reset的信號(hào)。輸出端口das_rc接ad1*的rc端，用以控制ad轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)和讀數(shù)；das_a用作控制ad7502的a1a0通道選通信號(hào)；das_out(加通道的序號(hào)為16位)用作das控制單元的16位輸出數(shù)據(jù)。das控制單元的有限狀態(tài)機(jī)(fsm)有4個(gè)狀態(tài)，分離為st0，st1，st2，st3。st0為挑選通道，啟動(dòng)ad轉(zhuǎn)換，進(jìn)入st1狀態(tài)；st1為等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，若轉(zhuǎn)換結(jié)束，進(jìn)入st2狀態(tài)，否則保持在st1狀態(tài)；st2為發(fā)出讀數(shù)據(jù)信號(hào)，進(jìn)入st3狀態(tài)；st3為輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；挑選其他通道，返回st0狀態(tài)。das控制單元采納語言舉行

9、開發(fā)，程序的部分代碼如下所示：das控制單元的4所示。圖中顯示控制單元運(yùn)行正確。33 智能傳感器系統(tǒng)軟件工作流程系統(tǒng)中誤差校正和溫度補(bǔ)償由系統(tǒng)軟件控制完成。系統(tǒng)軟件由sopc builder工具中的軟件開發(fā)工具(sdk)舉行開發(fā)。系統(tǒng)軟件流程5所示。系統(tǒng)上電初始化并啟動(dòng)das控制單元，選通每個(gè)通道并消退每個(gè)通道的隨機(jī)誤差；然后按照校正過的0通道和1通道的數(shù)值，實(shí)時(shí)計(jì)算出誤差校正因子，依據(jù)誤差校正公式(1)實(shí)時(shí)校正零點(diǎn)漂移校準(zhǔn)和增益誤差，再按照測(cè)量得到傳感器的工作溫度，計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)溫度的差值，通過查表獲得傳感器溫度變幻系數(shù)，最后依據(jù)溫度補(bǔ)償公式(5)校正測(cè)量壓力數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸出。4 結(jié) 語在系統(tǒng)的設(shè)