本科畢業(yè)設(shè)計（論文）-硅壓阻式傳感器智能補償與標定系統(tǒng)的研究

東北石油大學華瑞學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGEPAGE32科生畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要近年來，污水處理行業(yè)自動化水平的快速提高，使污水處理廠的自動控制系統(tǒng)已成為污水處理穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。而PLC控制器以其技術(shù)成熟、通用性好、可靠性高、安裝靈活、擴展方便、性能價格比高等一系列優(yōu)點，在工業(yè)控制中得到了越來越廣泛的應用。本文介紹了基于PLC污水處理控制系統(tǒng)的工藝及相關(guān)流程，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計、工作原理以及設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的基本原則和步驟，來說明PLC在污水控制系統(tǒng)中的應用，并通過研究設(shè)計一套基于PLC控制的污水處理系統(tǒng)和介紹了在系統(tǒng)實施中遇到的若干問題及其解決措施。在污水處理中采用PLC控制系統(tǒng)改造后，保證了污水處理廠自動控制系統(tǒng)及污水工藝設(shè)備的安全運行，提高了污水處理的自動化控制水平和管理水平，實現(xiàn)了污水處理廠生產(chǎn)管理的科學性。關(guān)鍵詞：污水處理；PLC；自動化控制系統(tǒng),PAGEIAbstractPiezoresistivepressuresensoralwaysfacesallimportantproblemoftemperaturecompensationwhichrestrictsitsapplicationsbecauseoftemperatureinfluenceOilsensor’ssensitivityandmeasurementprecision.Therefore,itisasignificantprojecttoresearchtemperaturecompensationforpiezoresistivepressuresensor.Firstofall,stateofartsonthistopicisreviewed.Somecompensationmethodsareanalyzedandtheirprinciplesarethensummarized.Thetechnologyaboutmodemsignalconditioningwhichwillbeusedinthispaperisalsointroduced.Thesmartsensorformeasuringpressuredesignedinthispaperhastheadvantagesofsmallsize,lowcost,higherperformanceandresponsespeed,andhigherlevelofintelligence.Afterdebuggingthesoftwareandhardwareofthesmartsensorthroughemulation,theresultshowsthatitsperformanceisperfect.Soweexpectthatthesmartsensorcanhavebroadfutureapplicationsinmanymeasuringandcontrollingsystemsforpressure.Keywords：piezoresistivepressuresensor;temperaturecompensation;MAX1457目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章概述 11.1引言 11.2設(shè)計目的及其意義 21.3傳感器的發(fā)展狀況 3第2章壓阻式傳感器 42.1傳感器的定義與作用 42.2傳感器的特性 52.3壓阻式傳感器的基本原理 62.4壓阻式傳感器的特點 72.5壓阻式傳感器的溫度補償 82.6本章小結(jié) 11第3章硬件設(shè)計 123.1補償與標定系統(tǒng)的框圖 123.2MAX1457電源電路 123.3并口通信電路 133.4壓阻式壓力傳感元件 153.5串行通訊的實現(xiàn) 173.6本章小結(jié) 18第4章軟件設(shè)計 194.193C66的操作 194.293C66的管腳描述 194.393C66的工作模式 194.4MAX1457開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計 234.5MAX1457補償步驟 244.6本章小結(jié) 26第5章性能測試 275.1測試內(nèi)容 275.2測試結(jié)果 275.3本章小節(jié) 29結(jié)論 30參考文獻 31致謝 32第1章概述1.1引言硅壓阻式傳感器是一種廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)和航天測量的基本部件。由于半導體材料組成的硅壓阻式傳感器普遍存在著，一致性、溫漂和非線性等問題，在使用過程中都要進行補償與非線性矯正。傳統(tǒng)的矯正方法是采用溫度敏感器件與模擬電路實現(xiàn)。近年來，隨著計算機技術(shù)日新月異的發(fā)展，對于硅壓阻式傳感器的矯正與補償都采用微型計算機系統(tǒng)實現(xiàn)，這樣的方法具有補償精度高、工作穩(wěn)定、體積精巧和傳輸方便等特點。這種方法組成的傳感器信號調(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)絡化測量系統(tǒng)，甚至能很方便的接入Internet網(wǎng)絡[1]。對于傳統(tǒng)傳感器采用模擬方式對信號在模擬域進行處理，校準與補償采用激光微調(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：(1)補償精度受限于傳感器的非線性誤差和溫度特性；(2)補償器件同樣受溫度漂移困擾；(3)激光微調(diào)或其它自動化設(shè)備價格昂貴；(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)。對傳感器普遍認可的定義是能感受規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。簡單的說，能把被測非電量信息轉(zhuǎn)換為電信號輸出的器件或裝置稱為傳感器。因此，傳感器的定義包含著三層含義：(1)傳感器是一個測量裝置；(2)在規(guī)定的條件下感受外界信息；(3)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成易于傳輸與處理的電信息。傳感技術(shù)早已滲透到工業(yè)生產(chǎn)，軍事國防，宇宙探測，海洋開發(fā)，環(huán)境保護，資源調(diào)查，醫(yī)學診斷，生物工程，文物保護，安全防范，家用電器等及其廣泛的領(lǐng)域。因此，從茫茫太空到浩瀚的海洋，從各種復雜工程系統(tǒng)到日常生活的衣食住行，幾乎每一個領(lǐng)域都離不開各種各樣的傳感器。可以毫不夸張地說，21世紀的社會，將是充滿傳感器的世界。傳感技術(shù)知識密集程度甚高，邊緣學科色彩極濃，涉及的學科與領(lǐng)域十分廣泛，制造技術(shù)復雜，工藝難度大，具有品種繁多，應用廣泛等特點。

1.2設(shè)計目的及其意義目前，傳感器可以檢測物理參數(shù)，但是我們要用傳感器做什么，通常，傳感器技術(shù)分為倆個不同領(lǐng)域。一是信息采集，二是控制系統(tǒng)。近年來，傳感器技術(shù)得到了迅速發(fā)展，其速度超出了大多數(shù)工程師和科學家的預料。我們發(fā)現(xiàn)很多在十多年前很少看到或只是在實驗室的新的復雜裝置已經(jīng)出現(xiàn)在廣大的家庭、車間和很多其他場合。傳感器技術(shù)應用日益廣泛的主要原因，是隨著計算機和微處理器的發(fā)展，它可以用作復雜的、柔性的而且低成本的控制器。然而，如果不能給計算機的控制決策程序提供適合的、不斷更新的、高質(zhì)量的、關(guān)于外部系統(tǒng)狀態(tài)的準確信息，那么直到今天這種系統(tǒng)的工作仍是很糟糕的。一旦這種信息通過傳感器采集，并以預期的形式得到調(diào)制處理，那么就可以輸入到計算機系統(tǒng)進行及時的處理并產(chǎn)生一個適當?shù)捻憫?。傳感器系統(tǒng)的所有元件必須滿足控制質(zhì)量要求的性能水平。如果其中一個元件低于標準，就可能導致整個裝置受到影響。在溫度、液位、角速度、壓力以及其他傳感器的應用中，我們可以領(lǐng)會到傳感器的重要性及其應用的廣泛性。在當今世界上，傳感器應用非常普及，人們已司空見慣。壓阻式壓力傳感器是利用半導體材料硅的壓阻效應制成的傳感器，具有靈敏度高，動態(tài)響應快，測量精度高，穩(wěn)定性好，工作溫度范圍寬，易于小型與微型化，便于批量生產(chǎn)與使用方便等特點。因此，它是一種發(fā)展迅速，應用廣泛的新型傳感器。壓阻式壓力傳感器的一個主要問題是溫度補償問題，由于溫度會對傳感器的靈敏度及測量精度產(chǎn)生很大的影響，在相當程度上限制了壓阻式壓力傳感器的使用，對傳感器進行溫度補償顯的尤為重要。應用信號調(diào)理芯片是現(xiàn)代常用的一種補償方法。本論文應用智能化的模擬數(shù)字混合信號調(diào)理技術(shù)，采用MAXl457，開發(fā)出了一整套溫度補償系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)理后的傳感器綜合誤差不超過0.1％。MAXl457是一種專用傳感器信號調(diào)理芯片。此芯片集成化程度較高，可以補償硅壓阻式壓力傳感器的溫度誤差和非線性誤差。論文首先介紹了MAXl457芯片的結(jié)構(gòu)、及相關(guān)數(shù)學公式推倒，分析了芯片的設(shè)計思路在結(jié)合壓力傳感器自身特點的基礎(chǔ)上，深入分析了補償思想，分析了能夠?qū)崿F(xiàn)高精度補償?shù)脑?，設(shè)計了單路補償模塊，并成功地開發(fā)出了多路補償系統(tǒng)，論文中介紹了相關(guān)的硬件電路及軟件的核心代碼。1.3傳感器的發(fā)展狀況隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，帶動社會生產(chǎn)的發(fā)展，人類對能源的需求不斷增加，世界上發(fā)達國家為了解決能源緊張而帶給各行各業(yè)的沖擊，都努力在開發(fā)能源的同時，致力于節(jié)能新方法的研究。我國地大物博，人口眾多，對能源的需求量很大，但我國人均能耗低于世界水平，而單位產(chǎn)值的能耗卻為發(fā)達國家的二倍。這在能源供應動蕩不安的今天，應該引起人們足夠的重視，同時也說明我國節(jié)能潛力很大，應該努力尋求節(jié)能的新途徑。我國從60年代開始對傳感技術(shù)的研究與開發(fā)，國內(nèi)在高精度智能化補償與標定系統(tǒng)研究領(lǐng)域正處于方興未艾階段。國外近年來，傳感器的信號調(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Motorola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Honeywell公司生產(chǎn)的ST3000系列、ST3000。900/2000系列智能壓力傳感器；MAXIM公司生產(chǎn)的MAXl450信號調(diào)理器、MAXl457型高精度硅壓阻式壓力信號調(diào)理器芯片、MAXl458數(shù)字式壓力信號調(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)的智能信號調(diào)理芯片可以補償失調(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參數(shù)。這些芯片為開發(fā)高性能的補償與標定系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)和條件。在高度發(fā)展的現(xiàn)代社會中，科學技術(shù)的突飛猛進和生產(chǎn)過程的高度自動化已成為人所共知的發(fā)展趨勢，而它們的共同要求是必須建立在有著不斷發(fā)展與提高的信息工業(yè)基礎(chǔ)上，信息技術(shù)對社會發(fā)展、科學進步起到了決定性的作用?，F(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)包括信息采集、信息傳輸與信息處理。人們只有從外界獲取大量準確，可靠的信息后，經(jīng)過一系列的科學分析，處理，加工與判斷，進而認識和掌握自然界與科學技術(shù)中的各種現(xiàn)象與其相關(guān)的變化規(guī)律，并通過相應的系統(tǒng)與方法加以實現(xiàn)科學實驗研究與生產(chǎn)過程的高度自動化。換言之，工業(yè)生產(chǎn)過程的現(xiàn)代化面臨的第一個問題是必須采用各種傳感器來檢測，監(jiān)視和控制科學實驗與生產(chǎn)過程的各個靜動態(tài)參數(shù)，使設(shè)備與系統(tǒng)以及科學研究工作能正常運行和處于最佳狀態(tài)，從而保證科研工作的成功與生產(chǎn)的高效率，高質(zhì)量。所以，進行信息采集的傳感器技術(shù)是重要的前期基礎(chǔ)工作。此后，才有后期的信息分析，處理加工技術(shù)問題。第2章壓阻式傳感器2.1傳感器的定義與作用在國家標準GB/T7665--1987《傳感器通用術(shù)語》中，傳感器的定義為能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受的或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分[2]。在科學技術(shù)高度發(fā)達的現(xiàn)代社會中，人類已進入瞬息萬變的信息時代，人們在從事工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗等活動中，主要依靠對信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸和處理，傳感器處于研究對象與測控系統(tǒng)的接口位置，是感知、獲取與檢測信息的窗口，它提供系統(tǒng)賴以進行決策和處理所必需的原始數(shù)據(jù)。一切科學實驗和生產(chǎn)過程，特別是在自動檢測和自動控制系統(tǒng)中要獲取的信息，都要通過傳感器轉(zhuǎn)換為容易傳輸與處理的信號。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進行精確可靠的測量，如果傳感器不能靈敏地感受被測量，或者不能把感受到的被測量精確地轉(zhuǎn)換成電信號，其他儀表和裝置的精確度再高也無意義，無論是信號轉(zhuǎn)換或信息處理，或者最佳數(shù)據(jù)的顯示與控制，都將成為一句空話。本文中所研究使用的是壓阻式傳感器。壓阻式傳感器是利用半導體材料硅的壓阻效應制成的傳感器。單晶硅不僅是最廣泛使用的半導體材料，也是力學性能十分優(yōu)良的彈性材料。硅材料的單晶結(jié)構(gòu)使硅壓阻式傳感器的遲滯極小，重復性極好；硅的壓阻系數(shù)較大，使用溫度范圍較寬。這類傳感器隨著硅集成電路平面工藝的完善而得到高度的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用作高靈敏度，高精度的微型真空計，絕對壓力計，流速計，流量計，聲傳感器，氣動過程控制器等。它在生物，醫(yī)療，航天，海洋工程，原子能等各種尖端科技和工業(yè)領(lǐng)域等都有著廣泛的用途。這類傳感器具有靈敏度高，動態(tài)響應快，測量精度高，穩(wěn)定性好，工作溫度范圍寬，易于小型與微型化，便于批量生產(chǎn)與使用方便等特點。因此，它是一種發(fā)展迅速，應用廣泛的新型傳感器。早期的壓阻傳感器是利用半導體應變片制成的粘貼型壓阻傳感器，它的傳感元件是用半導體材料體電阻制成的粘貼式應變片；20世紀70年代以后，研制出周邊固定的力敏電阻與硅膜片一體化的擴散型壓阻傳感器，它的傳感元件是利用集成電路工藝，在半導體材料的基片上制成的擴散電阻。它易于批量生產(chǎn)，能夠方便的實現(xiàn)微型化，集成化和智能化，因而它成為受人們普遍重視并重點開發(fā)的具有代表性的新型傳感器。2.2傳感器的特性傳感器的輸入輸出關(guān)系特性是傳感器的基本特性。從誤差角度去分析輸入輸出特性是測量技術(shù)所要研究的主要內(nèi)容之一。輸入輸出特性是傳感器的外部特性，但與其內(nèi)部參數(shù)有密切的關(guān)系，而且測量誤差也是與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)的。傳感器所測的物理量有兩種形式，一種是穩(wěn)態(tài)(靜態(tài)或準靜態(tài))的形式，這種信號隨時間變化很緩慢。另一種是動態(tài)(周期變化或瞬態(tài))的形式，這種信號是隨時間變化而變化的。由于輸入物理量的不同，傳感器所表現(xiàn)出來的輸入輸出特性也不同，因此也就存在所謂靜態(tài)特性和動態(tài)特性。2.2.1靜態(tài)特性傳感器的主要靜態(tài)性能指標。線性度、靈敏度、遲滯、重復性、溫度系數(shù)等[3]。量程：在規(guī)定的測量特性內(nèi)，傳感器在規(guī)定的精確度范圍內(nèi)所測量的被測變量的范圍，其最高值與最低值分別稱為上限與下限，上限值與下限值的代數(shù)差就是量程。線性度：線性度又稱非線性，是表現(xiàn)為傳感器輸出輸入的實際標定曲線與理論直線(或擬合直線)的不一致性。靈敏度：靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出量與被測輸入量增量之比。遲滯：遲滯特性是反映傳感器正反行程過程中，輸出輸入曲線的不重合程度，也就是說，對應同一大小的輸入信號，傳感器正反行程的輸出信號的大小卻不相等，這就是遲滯現(xiàn)象。實際評價用正反行程輸出的最大偏差與滿量程輸出之比的百分比來表示。重復性：在相同的工作條件下，在一段短的時間間隔內(nèi)，輸入量從同一方向作滿量程變化時，同一輸入量所對應的連續(xù)先后多次測量所得的一組輸出量值，它們之間相互偏離的程度便稱為傳感器的重復性。重復性可由一組校準曲線的相互偏離值直接求得。分辨力：分辨力是指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測出被測輸入量的最小變化量。有時對該值用滿量程輸入值之百分數(shù)表示，則稱為分辨率。零點時間漂移：傳感器在恒定的溫度環(huán)境中，零點輸出信號與時間的變化特性，稱為傳感器零點時間漂移，簡稱零漂。傳感器的零漂一般按48h內(nèi)輸出信號的變化來度量。零點溫度漂移：傳感器的零點輸出隨溫度而變化的特性，稱為傳感器的零點溫度漂移。一般常用環(huán)境溫度變化10°所引起的輸出變化相對于滿量程的百分比表示。在實際使用中，時間漂移與溫度漂移是同時存在的。靈敏度溫度漂移：傳感器的靈敏度隨溫度變化而變化，它反映溫度變化對傳感器輸出信號影響的大小。一般用溫度每變化10°而引起傳感器的相對變化來表示。2.2.2動態(tài)特性動態(tài)特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。一般來說，總是希望傳感器的輸出隨時間變化的關(guān)系能重復輸入量隨時間變化的關(guān)系，但實際上除了具有理想比例特性的環(huán)節(jié)以外，輸出信號將不會與輸入信號完全一致。這種輸出與輸入之間的差異稱為動態(tài)誤差。通常把傳感器看作一個線性不變系統(tǒng)，用常系數(shù)線性微分方程來描述。anZ=bmxd式中an，an-1，…，a0和bm，bm-1對一個復雜的系統(tǒng)，嚴格地求解上式的微分方程是困難的。因此在工程控制和信息論中通常采用一些能反映系統(tǒng)動態(tài)特性的函數(shù)將輸出和輸入聯(lián)系起來，如傳遞函數(shù)、頻率響應函數(shù)和脈沖響應函數(shù)等。2.3壓阻式傳感器的基本原理隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，壓力傳感器已向半導體化和集成化方向發(fā)展。人們發(fā)現(xiàn)固體受到作用力后電阻率就要發(fā)生變化，所有的固體材料都有這個特點，其中以半導體最為顯著。當半導體材料在某一方向上承受壓力時，它的電阻率發(fā)生顯著變化，這種現(xiàn)象稱為半導體壓阻效應。壓阻式傳感器就是利用固體的壓阻效應制成的，壓阻式傳感器主要用于測量壓力、加速度、負荷等參數(shù)。壓阻式傳感器有兩種類型：一種是利用半導體的體電阻做成粘貼式的應變片，作為測量傳感元件，稱為粘貼型壓阻式傳感器；另一種是在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，作為測量傳感元件，稱為擴散型壓阻傳感器[4]。任何材料電阻的變化率由下式?jīng)Q定?！鱎R=△ρρ式中，R一導體的電阻(Ω)；p一導體的電阻率(Ω·㎜2/m)；l一導體的長度(m)；s一導體的截面積(㎜2)。

2.4壓阻式傳感器的特點壓阻式壓力傳感器的最突出的優(yōu)點是靈敏度高、尺寸小、橫向效應小、滯后和蠕變小，適于動態(tài)測量；其缺點是受溫度影響大，重復性較差，下面細化一下[5]。(1)優(yōu)點①頻率響應范圍寬，固有頻率很高；②體積小，可微型化。由于采用了集成電路的工藝方法，因而硅膜片敏感元件可做得很??；③精度高、靈敏度高；④由于壓阻式壓力傳感器無活動部件，所以它工作可靠、耐震、耐沖擊、耐腐蝕、抗干擾能力強以及可以在惡劣環(huán)境下工作的優(yōu)點。(2)缺點①由于壓阻式壓力傳感器是用半導體材料制作的，受溫度影響較大，因此，在溫度變化大的環(huán)境中使用時，必須進行溫度補償；②制作工藝復雜。對研制條件要求高而嚴格，尤其是擴散雜質(zhì)、燒結(jié)、封裝工藝等比其它傳感器要復雜的多，因而成本較高。傳感器技術(shù)發(fā)展的主要趨勢，小型化，集成化，智能化。在集成電路部分制成一些微處理器，使得其具有記憶，思維，判斷，處理的能力。采用硅彈性材料、半導體工藝和微機械加工技術(shù)的擴散硅壓力傳感器，除了靈敏度高這一優(yōu)點外，還具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點，在各行業(yè)中得到了廣泛的應用。但由于半導體材料的固有特性，壓阻式傳感器普遍存在著如下幾方面的問題。(1)一致性問題，由于工藝的關(guān)系，即使同一批生產(chǎn)的傳感器，其特性也會有比較大的離散性。為了保證足夠的精度，必須對每個傳感器進行校準；(2)溫漂問題，半導體材料對于溫度變化很敏感，因此溫漂問題在壓阻式傳感器中尤其顯得突出。實際應用中，必須采取一定措施，對傳感器的溫度漂移進行補償；(3)非線性問題，這是普遍存在于各種傳感器中的問題。為了便于信號的傳送及處理，必須對傳感器輸出信號進行線性化處理；(4)傳感器的原始輸出信號都比較小，為了獲得足夠的分辨率或靈敏度，必須進行放大并使輸出信號標準化。

2.5壓阻式傳感器的溫度補償壓阻式傳感器由于有很多優(yōu)點，因而發(fā)展很快，但是溫度誤差卻是這類傳感器發(fā)展中的一個需要解決的問題，所以在使用壓阻式傳感器時需進行溫度補償。溫度補償有硬件補償和軟件補償兩種方式。硬件補償就是在傳感器橋臂附加串并聯(lián)電阻網(wǎng)絡達到消除或減小溫度影響的目的，而軟件補償就是利用微機或單片機系統(tǒng)對實時采集的數(shù)據(jù)進行綜合修正達到消除和減小溫度的影響。壓阻式傳感器采用硬件溫度補償對電阻補償網(wǎng)絡的要求較高，而且還涉及到電阻條的擴散工藝，其補償效果是與硬件成本成正比的。隨著微型計算機和大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展及其成本的下降，測量儀器向數(shù)字化發(fā)展并與軟件相結(jié)合是一個主要的發(fā)展趨勢。而MAXl457把軟件和硬件補償相結(jié)合，把校準和補償系數(shù)存在E2PROM內(nèi)，傳感器的電橋電壓反映傳感器溫度的變化，此變化的電橋電壓經(jīng)過信號調(diào)理芯片內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換后作為地址參數(shù)，讀取E2PROM中相應的校準和補償系數(shù)，驅(qū)動DAC輸出的模擬電壓，對壓阻式傳感器進行實時校準和補償。同時上位機通過并口讀寫校準和補償系數(shù)，并獲得傳感器的電橋電壓和經(jīng)過補償后的傳感器輸出電壓[6]。2.5.1溫度補償?shù)囊饬x在對壓阻式壓力傳感器的研究方向中，包括開發(fā)耐高溫，及用于微機械加工的壓力傳感器，還有一個重要的研究方向是溫度漂移的補償，在實際應用當中，壓阻式壓力傳感器的確面臨著溫度補償問題。壓阻式壓力傳感器會受到溫度的影響，導致零點漂移和靈敏度漂移，它來源于半導體物理性質(zhì)對溫度的敏感性。零點漂移是因為擴散電阻阻值隨溫度改變而發(fā)生變化。擴散電阻的溫度系數(shù)因薄層電阻不同而異。表面雜質(zhì)濃度高時，薄層電阻小，溫度系數(shù)亦小，反之，薄層電阻增加，溫度系數(shù)增大。由于工藝上的原因，難于使4個橋臂電阻溫度系數(shù)完全相同，因此，不可避免的要產(chǎn)生零位漂移。所以，適當提高表面雜質(zhì)濃度，可以減小溫度系數(shù)，進而減小零位漂移。但是，過高的雜質(zhì)濃度會降低傳感器的靈敏度。壓阻式壓力傳感器的靈敏度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度改變而引起的。當溫度升高時，壓阻系數(shù)減小，反之則增大。所以，當溫度升高時，傳感器靈敏度降低。如果提高擴散電阻的表面雜質(zhì)濃度，壓阻系數(shù)隨溫度變化要小一些，但傳感器的靈敏度同樣會降低。因此，對壓阻式壓力傳感器進行溫度補償在實際應用當中顯得相當重要。2.5.2溫度補償?shù)姆椒ㄔ谶@個領(lǐng)域，有多種多樣的補償方法，根據(jù)自身的需要和要求，各有優(yōu)缺點。有根據(jù)電橋特性，進行補償?shù)膫鹘y(tǒng)方法，現(xiàn)在越來越多的是采用適當?shù)恼{(diào)理芯片進行補償。壓力傳感器是利用在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻，并組成電橋，其原理是當不受力時。電橋處于平衡狀態(tài)，無電壓輸出；當受到壓力的作用時，電橋失去平衡，電橋輸出電壓，電橋輸出的電壓與壓力成比例。由于溫度的影響，四個電阻的阻值變化值有可能不同，將使傳感器的零點發(fā)生漂移。傳感器的零位漂移可采用在電橋電路中串聯(lián)，并聯(lián)補償電阻的方法來解決。如圖2-1，并聯(lián)的電阻Rp為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，主要用來補償零位溫度漂移，串聯(lián)的Rs用來調(diào)節(jié)零位輸出。很多的補償方法是從其制作工藝去考慮，類似補償方法主要采取自補償法，其中包括一元件法和二元件法。有的方法是從摻雜濃度來考慮，這些在相關(guān)文獻中都有報道。RSRUR1R3RPU圖2-1補償原理圖2.5.3常見的補償方法在一些的論文中，最常見的一種是采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，對傳感器進行溫度補償。電路工作原理，溫度測量電路是由溫度傳感器，運算放大器，橋路及數(shù)模轉(zhuǎn)換器等組成。如圖2-2，Rt為熱敏電阻，不同的溫度產(chǎn)生不同的電壓信號，此信號送至ADC0809，而運放的同相輸入端將電橋所產(chǎn)生的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基準電壓輸入端，利用此基準電壓來消除零點溫度產(chǎn)生的誤差信號。此電路的實質(zhì)是當電橋的輸出電壓發(fā)生微小變化時，其輸出到ADC的基準電壓也發(fā)生變化。大多數(shù)溫度傳感器的溫度系數(shù)是負值，而電阻溫度系數(shù)是正值。兩者的絕對值非常接近。VCCD0D1D0D1VinD7VrefRt R2ab Digitaloutput R3 R1 Rf+-圖2-2采用A/D補償原理圖在這里是利用了TCR(電橋阻抗溫度系數(shù))和TCS(靈敏度溫度系數(shù))的絕對值相等這一理想條件，但在實際當中，有一定的誤差。而后用MAXl457修正時，考慮到這一情況。也有相關(guān)采用A/D轉(zhuǎn)換器進行溫度補償，補償思路類似，也都是從電橋本身獲得溫度電壓?？梢詫⒀a償電阻網(wǎng)絡與A/D轉(zhuǎn)換電路相結(jié)合使用，理想情況下，從電路上可以將溫度的誤差項徹底消除[7]。但這些是對平衡電阻的分析不夠，運放本身的輸入漂移電壓和漂移電流而引起的誤差也沒有考慮。在其它補償方法中，也多以增加串聯(lián)，并聯(lián)電阻為主，通過預先測得的變化曲線調(diào)整阻值的大小，或建立數(shù)學模型，推導出合適的公式。2.5.4現(xiàn)代補償方法有一種單片機智能控制系統(tǒng)，摒棄了傳統(tǒng)的方法，是將傳感器的輸出電壓Us去掉其零點溫漂電壓Ut，作為最后的輸出Uo=Us-Ut，此系統(tǒng)中包括壓力傳感器及溫度傳感器，分別將其放大，并有A/D及單片機系統(tǒng)。單片機計算及其顯示小系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換部分壓力傳感器及其放大單片機計算及其顯示小系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換部分壓力傳感器及其放大溫度傳感器及其放大溫度傳感器及其放大圖2-3原理框架圖系統(tǒng)中的單片機采用8031作為主處理芯片，外接程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。傳感器工作時，在單片機的控制下，首先將A/D轉(zhuǎn)換通路接通溫度傳感器，依次測出的溫度數(shù)據(jù)，查出預先存儲在RAM中的對應于此溫度的補償值Ut，然后控制A/D接通壓力傳感器通路，測出此時的壓力傳感器輸出電壓Us，減去Ut，得到最后結(jié)果。這種方法的實質(zhì)是根據(jù)溫度傳感器的采樣值，進行查表，將對應于此溫度的補償值Ut提出，后測出Us求出Uo。而此方法中的放大電路的元件并沒有考慮其溫度特性，此方法主要針對的是零點漂移，沒有對傳感器的靈敏度進行考慮，因而精度不會太高。這種方法已經(jīng)表達出一種補償思想，就是將壓力信息和溫度信息都要考慮，還有一點就是預先存儲參考值。以及從橋臂獲得溫度信息，即作為測壓元件又作為溫度補償元件的測量方法。這些都摒棄了傳統(tǒng)的方法，為以后方法的改進提供了好的思路。也有采用PN結(jié)的特性對硅壓傳感器進行溫度補償。其實質(zhì)也是調(diào)整外部電路，修正電路的電阻值。這需要對每個傳感器不同的溫度特性進行實驗，并且成本高，只是阻值的計算方法上有所改進。正如前所述，對壓阻式傳感器的溫漂的補償，國內(nèi)外的許多科技人員做了大量的工作，也取得了很大的進展。但是這些方法中許多都存在著精度低，成本高，不能實時補償?shù)热秉c。針對上述情況，美國的MAX公司成功地開發(fā)了一種傳感器的補償芯片—，MAXl457。此信號調(diào)理芯片以消除傳感器因溫漂引起的固有的可重復誤差，提高傳感器的測量精度，使傳感器的誤差控制在0.1％以內(nèi)。2.6本章小結(jié)本章簡要說明了對壓阻式壓力傳感器的特性和基本原理，并且給出了溫度補償框架圖，對壓力傳感器的補償方法作了簡要介紹。第3章硬件設(shè)計硬件的研究與設(shè)計是論文工作的重要組成部分，首先進行方案論證確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和框架，并對各部分的硬件電路和邏輯進行詳細的研究與設(shè)計，完成硬件電路的設(shè)計[8]。然后根據(jù)設(shè)計結(jié)果繪制詳細的原理圖和PCB圖，并在制作好電路板后進行硬件調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，為軟件的設(shè)計做好基礎(chǔ)。3.1補償與標定系統(tǒng)的框圖MAX1457上位機PC計算機并口E2PROM(93C66)MAX1457上位機PC計算機并口E2PROM(93C66)硅壓阻式傳感器A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換（MAX140）1）圖3-1補償與標定系統(tǒng)的框圖補償與標定系統(tǒng)的信號調(diào)理電路是以MAXIM公司生產(chǎn)的MAXl457為核心；數(shù)據(jù)采集電路以MAXl401為核心，用來采集傳感器的橋壓和MAXl457的輸出電壓。根據(jù)向?qū)降难a償步驟通過并把補償和修正系數(shù)寫入E2PROM，在某個特定溫度點MAXl457載入相應的補償系數(shù)對硅壓阻式傳感器進行補償與標定。3.2MAX1457電源電路為了確保精度，需要保證MAXl457的電源電壓的精度，因為MAXl457的電源電壓是失調(diào)DAC(OFSTDAC)和靈敏度DAC(FSODAC)參考電壓。這里采用了AD586給MAXl457提供精密5V電源電壓。AD586MN的工作溫度為0℃～70℃，溫漂為2ppm/℃，輸出電壓范圍為5.000V+2mV，輸出噪聲非常低。精密5V電源電壓電路如圖3-2。88NRTP88NRTPTPVINVOUTTPTRIMGND17 26 35454圖3-2精密5V電壓電路圖3.2.1MAX1457與E2RPOM的接口電路MAXl457本身具有與SPI/MicroWire兼容的串口，而E2PROM采用的是ATMEL公司的AT93C66，它采用了三線串行總線結(jié)構(gòu)[9]。兩者的連接圖如圖3-3。228193C662281VDDCSVDDCSSKORGDIVSSDOESCECLKEDIEDO21721726 32019451945圖3-3MAX1457與E2RPOM的連接圖3.3并口通信電路PC機都帶有一個標準的并行打印口用于連接打印機，實際上它還是一個并行通訊口，可與任何符合該通訊標準的設(shè)備相互通訊。本論文中，PC機通過打印機并口讀寫E2PROM并對MAXl457進行控制。并行打印口的針腳功能表如表3-1。打印口共有三個寄存器接口。378H數(shù)據(jù)口、379H狀態(tài)口和37AH控制口。表3-2給出了這三個端口的位數(shù)與針腳的對應關(guān)系。(1)378H數(shù)據(jù)口是PC機向打印機發(fā)送數(shù)據(jù)的唯一出口，該口有八條線，而且只能輸出，不能輸入。(2)379H狀態(tài)口是打印機返回給PC機的聯(lián)絡信號，用于反映打印機的當前狀態(tài)。該口共有五條輸入線，位數(shù)為D7、D6、D5，D4、D3。其中D7為負邏輯，即外部輸入低電平，讀入為高電平。(3)37AH控制口是PC機向打印機發(fā)出打印控制命令的端口。它有四條線，與數(shù)據(jù)口一樣只能輸出，不能輸入，位數(shù)為D3、D2、D1、DO。其中除D2外，其它三位都是負邏輯，即送出高電平輸出為低電平。表3-1并口打印口的針腳功能表針腳功能針腳功能1選通端，低電平有效10確認，低電平有效2數(shù)據(jù)通道011忙3數(shù)據(jù)通道112缺紙4數(shù)據(jù)通道213選擇5數(shù)據(jù)通道314自動換行，低電平有效6數(shù)據(jù)通道415錯誤，低電平有效7數(shù)據(jù)通道516初始化，低電平有效8數(shù)據(jù)通道617選擇輸入，低電平有效9數(shù)據(jù)通道718-25地線表3-2并口地址的位數(shù)與針腳對應表并口地址D7D6D5D4D3D2D1D0378H98765432379H111012121537AH1716141并口的引腳電平為TTL電平，而E2PROM的引腳的電平也是TTL電平，無需電平轉(zhuǎn)換，通訊非常方便。但是為了防止并口與E2PROM互相干擾和驅(qū)動對方的能力不夠，中間加入了74HC244作為緩沖和隔離。PC機讀寫E2PROM時，需要拉低MCS信號，使得MAXl457處于空閑狀態(tài)，以免干擾PC機對E2PROM的讀寫。所以MCS信號也與并口相連接，使得PC機能夠控制MAXl457。

3.4壓阻式壓力傳感元件傳感元件位于傳感器系統(tǒng)之首，被測壓力量需由它轉(zhuǎn)換為電信號才能供給電路處理，因此它的性能對傳感器系統(tǒng)有著很大的影響。本課題對傳感元件的要求是體積小、成本低、準確度高、可靠性好。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機械結(jié)構(gòu)型的器件為主，它利用液柱高度差或彈性元件的形變來指示壓力，其主要的問題是，尺寸大，份量重和不能提供電學量輸出等。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，壓力傳感器呈現(xiàn)出半導體化的趨勢。半導體壓力傳感器的發(fā)展過程中，早期曾出現(xiàn)過壓敏晶體管器件(三極管或二極管)，其封裝較為困難，而且容易失效。壓阻器件是目前應用最廣泛的半導體壓敏傳感器，并且由于綜合運用MEMS工藝與集成電路工藝，半導體壓阻傳感器小型化、集成化提供了可能條件，現(xiàn)階段對壓阻材料傳感器的研究十分活躍。目前主要的壓阻材料是硅材料，應用最為廣泛的是壓力傳感器，橋式壓阻傳感器在相當?shù)臅r間里都被作為壓阻傳感器的標準電路形式，與之相適應的各種調(diào)節(jié)電路也同趨成熟。本系統(tǒng)采用利德電子有限公司的87型(超穩(wěn)定)壓力傳感元件，這種壓阻式硅壓力傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單輕巧、性能可靠及低功耗等特點，智能壓力傳感器系統(tǒng)采用它作為壓力傳感元件，有利于降低成本，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[10]。智能壓阻壓力傳感器組成，作為主傳感器的壓阻壓力傳感器用于壓力測量，溫度傳感器用于測量環(huán)境溫度，以便進行溫度誤差修正，兩個傳感器的輸出經(jīng)前置放大器放大送至多路轉(zhuǎn)換器，多路轉(zhuǎn)換器根據(jù)單片機發(fā)出的命令fl1選擇一路信號送至A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送人單片機，單片機根據(jù)已編制好的程序?qū)鹤柙蔷€性和溫度變化產(chǎn)生的測量誤差進行修正。3.4.1結(jié)構(gòu)該傳感器為一種微型壓阻式硅壓力傳感器，為克服傳統(tǒng)壓阻壓力傳感器的不足，設(shè)計出一種智能型壓阻壓力傳感器。根據(jù)智能傳感器的系統(tǒng)組成和應用范圍，在充分考慮各元器件之間連接的參數(shù)配合的基礎(chǔ)上，選擇實用性好，可靠性高，成本低的元器件組成整個測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)在單片機的控制和處理下，同時具備溫度和壓力參數(shù)的自動測量、放大、MD轉(zhuǎn)換和結(jié)果顯示，而且具有自檢、自動補償和現(xiàn)場通訊等功能。它專為OEM應用而設(shè)計，與腐蝕性介質(zhì)兼容。傳感芯片安裝在TO型的敏感頭上，在封裝上焊著一層316不銹鋼盤旋膜片，在膜片和傳感器元件之間密封了適量的硅油，ISO壓力外殼利用硅油壓力從316不銹鋼膜片上串遞到壓阻元件上，其結(jié)構(gòu)如圖3-4。44（-）（-）55r3r3++II66（+）-2（+）-2圖3-487型（超穩(wěn)定）壓力傳感元件結(jié)構(gòu)3.4.2性能參數(shù)表3-3列出了87型(超穩(wěn)定)壓力傳感元件在電源電流為1.5mA，室溫是25℃條件下的性能參數(shù)。表3-3壓力傳感器性能參數(shù)參數(shù)最小最小最大單位備注滿量程75100125mV1零壓失調(diào)-101mV壓力非線性-0.250.25±%量程2壓力遲滯50μV輸入輸出電阻200027504000Ω溫度誤差-滿量程-0.75+0.75±%量程3溫度誤差-失調(diào)-0.75+0.75±%量程3熱遲滯-滿量程0.05±%量程3熱遲滯-失調(diào)0.05±%量程3供電電流mA表3-3中列出了87型(超穩(wěn)定)壓力傳感元件在電源電流為1.5mA，室溫是25℃條件下的性能參數(shù)。其中所有的3000psi和5000psi的測試點為2500psi，最佳直線溫度范圍為-20℃～+85℃。輸出電阻可以減少因輸出負載引起的測量誤差，在外殼和傳感器敏感元件之間。3.5串行通訊的實現(xiàn)電壓信號經(jīng)微處理器處理后，傳送到其他的PC機，以便達到實時監(jiān)控的目的。以微處理器為主體構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，因為其電路結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高而被廣泛應用在工業(yè)控制中。目前廣泛使用的微處理器產(chǎn)品都集成了串行通信接口，使用串行通信接口，通過RS-485接口驅(qū)動芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡，把多臺微處理器系統(tǒng)連接成一個分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。但為了克服微處理器的不足，引入了主機，采用主從式結(jié)構(gòu)模式，即PC機為主機，分布在現(xiàn)場的各個微處理器系統(tǒng)為從機。主機串行采用標準的RS-232口，根據(jù)標準的規(guī)定，RS-232采用負邏輯，并且傳輸距離短，一般用于20米以內(nèi)的通信。而對于大多數(shù)分布式控制系統(tǒng)，通信距離為幾十米到幾千米不等，因此，RS-232接口不能滿足系統(tǒng)的要求，目前廣泛采用的是RS-485收發(fā)器。RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，加上收發(fā)器具有高的靈敏度，能檢測低達200mV的電壓，故傳輸信號在千米以外得到恢復。在該設(shè)計中，使用TI公司的RS-485接口芯片75LBCl84，它使用單一電源，電壓在3.5-5V范圍內(nèi)都能正常工作，能完成TTL與RS-485之間的轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)的通信接口電路如圖3-5。該芯片與普通的RS-485收發(fā)器的性能相比，有一個顯著的特點，那就是片內(nèi)有高能量瞬變干擾保護裝置，可以承受峰值為400W(典型值)的過壓瞬變，故它能顯著提高防止雷電損壞器件的可靠性。對一些環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件。該芯片還有一個獨特的設(shè)計，當輸入端開路時，其輸出為高電平，這樣可保證在接收器輸入端電纜有開路故障時，不影響系統(tǒng)的正常工作。另外，它的輸入阻抗為RS-485標準輸入阻抗的2倍(≥24kΩ)，故可以在總線上連接64個收發(fā)器。RXDR14RXDR14U3U3TXDTXDTXDTXDRS485ARS485BRS485ARS485BRBREDEDAR14R14REDEREDEREDEREDERXDRXDRXDRXDR1510K圖3-575LBC184接口電路原理圖實際應用中，由于大多數(shù)普通PC機只有常用的RS-232串行通信口，而不具備RS-485通信接口。因此，為了實現(xiàn)RS-485協(xié)議的串行通信，必須在PC機側(cè)配置RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器，或者購買適合PC機的RS-485卡。由于后者價格較高，且一般帶有廠方編寫的驅(qū)動程序，軟件程序員還需要了解相應的應用函數(shù)，增加了調(diào)試的難度。為了避開采用RS-485通信協(xié)議的上述問題，我們決定自制RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)傳感器與上位機之間的通信[11]。3.6本章小結(jié)本章分析了系統(tǒng)主要硬件的組成部分，并對系統(tǒng)的主要原器件的電路和特點進行了介紹，重點討論了MAX1457電源電路和并口通信電路，并介紹了壓阻式硅壓力傳感元件的特點，并給出了傳感器的電路原理圖和RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換原理圖。第4章軟件設(shè)計軟件的功能是通過向?qū)窖a償步驟獲取傳感器的失調(diào)系數(shù)、失調(diào)溫度系數(shù)、靈敏度系數(shù)、靈敏度溫度系數(shù)，把這些系數(shù)保存在E2PROM中。因此軟件設(shè)計包括，并口通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和向?qū)窖a償步驟模塊。4.193C66的操作計算機與MAXl457的通訊主要通過93C66進行。93C66相當于一個中繼站，它存儲了補償參數(shù)。MAXl457通過載入E2PROM中數(shù)據(jù)可以完成對傳感器的補償。因此軟件對93C66的操作是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)部分。下面對其作簡單介紹[12]。4.293C66的管腳描述E2PROM采用的是ATMEL公司的93C66。93C66的存儲容量為256x16Bit或256x8Bit，采用了三線串行總線結(jié)構(gòu)。三線串行總線采用同步時鐘(SK)、數(shù)據(jù)輸入(DI)、數(shù)據(jù)輸出(DO)三根線進行數(shù)據(jù)傳輸，接口簡單。CS：93C66的片選輸入，高電平有效。CS端低電平，93C66為休眠狀態(tài)。但若在一個編程周期啟動后，CS由高變低，93C66將在該編程周期完成后立即進入休眠狀態(tài)。在連續(xù)指令與連續(xù)指令之間，CS必須有不小于250ns的低電平保持時間，使之復位(RESET)，芯片在CS為低電平期間，保持復位狀態(tài)。SK：串行時鐘輸入。操作碼、地址、數(shù)據(jù)隨SK上升沿有效。SK可在傳輸?shù)娜我鈺r刻被中止。DI：數(shù)據(jù)輸入，DI管腳上START位、操作碼、地址、數(shù)據(jù)隨時鐘同步輸入。DO：數(shù)據(jù)輸出，在READ狀態(tài)中，數(shù)據(jù)隨時鐘在DO腳輸出。除了讀數(shù)據(jù)或編程操作期間檢查READY/BUSY狀態(tài)外，DO腳均為高阻狀態(tài)。ORG：當ORG腳與VCC相連，則選擇(256×16)的存儲模式。當ORG腳與VSS相連則選擇(256×8)的存儲模式。TEST：TEST腳只用于測試模式。使用中與VCC或VSS相連。4.393C66的工作模式93C66有7種不同的工作模式。READ操作：READ操作在DO腳串行輸出內(nèi)存中指定地址的數(shù)據(jù)。DO在輸出數(shù)據(jù)之前處于‘虛0’狀態(tài)。輸出數(shù)據(jù)隨著SK上升沿有效，并持續(xù)一段時間。當CS為高時可進行串行讀操作。內(nèi)存中數(shù)據(jù)將自動轉(zhuǎn)到下一位串行輸出。需要注意的是當在DI腳送入命令字后，下一個時鐘周期，在DO腳先輸出一個低電平，在此時鐘周期后，DO腳串行輸出的才是E2PROM中的數(shù)據(jù)。它也可作為操作正常的標志位，表示前面的讀命令已經(jīng)被收到。EWEN操作：93C66上電處于EWDS(ERASE/WRITEDISABLE)狀態(tài)。在所有編程之前必須進行一個EWEN操作。一旦進行EWEN操作，芯片將一直處于可編程狀態(tài)，直到下一個EWDS操作或VCC變?yōu)榈?。EWDS操作：為避免數(shù)據(jù)誤操作，EWDS可禁止所有ERASE/WRITE操作，并應該在所有編程操作之后執(zhí)行。WRITE操作：WRITE命令后跟隨寫入特定地址的16位或8位數(shù)據(jù)。在最后一位數(shù)據(jù)進入DI后，在下一個SK上升沿到來之前，CS必須為‘0’。CS的下降沿啟動了自擦除時序和編程循環(huán)。在一個最小100nS的低電平后和寫循環(huán)完成之前，如果CS變?yōu)楦摺EADY/BUSY狀態(tài)將由DO表示。DO為‘0’表示BUSY，編程正在進行。DO為‘1’表示內(nèi)存己被寫入，器件為READY正等待下一個操作。WRAL操作：WRAL操作按照命令字將存儲器所有單元都寫入設(shè)定的數(shù)據(jù)。WRAL之前必需進行ERASE操作。這兩個操作都必需在EWEN命令狀態(tài)后進行。ERASE操作：ERASE操作將所指定內(nèi)存中特定地址數(shù)據(jù)位全強制為‘1’。CS的下降沿將啟動自循環(huán)編程。ERAL操作：ERAL操作將所有存儲器的數(shù)據(jù)位都寫成‘1’。下面給出各個命令的命令字和時序圖，如表4-1和圖4-1。表4-193C66命令字命令起始位操作碼地址數(shù)據(jù)x8x16x8x16READ110A8-A0A7-A0EWEN10011XXXXXXX11XXXXXXERASE111A8-A0A7-A0WRITE101A8-A0A7-A0D7-D0D15-D0RRAL10010XXXXXXX10XXXXXXXWRAL10001XXXXXXX11XXXXXXXD7-D0D15-D0EWDS10000XXXXXX00XXXXXX(1)讀操作（READ）周期CS tcsSKD1 1 1 0 A0 DNDD0 HighImpedance 0 ·· D0(2)寫使能（EWEN）操作tcstCS SKD1 1 00 11 ··(3)寫禁止（WRITE）周期tcstCSSKD1 1 0 ... A0 · D0HighImpedanceD0 BusyReady(4)片寫入（WRAL）周期tcstCSSKDNDD1 1 0001 D0HighImpedanceD0 BusyReady(5)擦除（ERASE）周期CheckStatustCheckStatustCS Standy SKANAN-1AN-2ANAAD1 A0HighImpedanceD0 BusyReady(6)tcstCheckStatusCheckStatus StandySKD0 1 0 10HighImpedanceHighImpedanceD1 Busy Ready圖4-1時序圖

4.3.1E2PROM(93C66)空間的分配傳感器的失調(diào)系數(shù)、失調(diào)溫度系數(shù)、靈敏度系數(shù)、靈敏度溫度系數(shù)和線性度系數(shù)均保存在E2PROM中。CR1系數(shù)和CR2系數(shù)各占一個單元；失調(diào)系數(shù)和靈敏度系數(shù)各占一個單元；地址Ox04～Ox07的內(nèi)容有特殊用途，一般用來測試E2PROM是否正常工作，靈敏度溫度系數(shù)和失調(diào)溫度系數(shù)占用了120個單元，線性度系數(shù)占用了8個單元[13]。4.4MAX1457開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計MAXl457對傳感器的償需要軟件支持，按照特定的補償步驟進行。在MAXl457的開發(fā)系統(tǒng)軟件基于MAXl457的工作原理以及補償?shù)膶嵤┻^程。MAXl457開發(fā)系統(tǒng)軟件可以分成。E2PROM讀寫管理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，傳感器補償步驟模塊。4.4.1E2PROM的讀寫管理模塊PC機對E2PROM的操作是通過并模擬E2PROM的7個命令的時序?qū)崿F(xiàn)的。在WindowsNT/2000/XP操作系統(tǒng)下，出于安全性的考慮，不允許普通用戶直接對并口操作，而且沒有現(xiàn)成的控件可以利用，必須自己編寫必要的程序或者利用第三方的動態(tài)鏈接庫對并口操作。本論文采用了后者。E2PROM的兩個主要操作，讀操作和寫操作的流程圖分別為圖4-2和圖4-3。開始開始74HC244使能將MCS拉低將MCS拉高寫入寫命令寫入16位數(shù)據(jù)將ECS拉低74HC244不使能將MCS拉高結(jié)束圖4-2讀操作流程圖PC機要讀E2PROM時，要使74HC244使能，拉低MCS信號，禁止MAXl457讀取E2PROM的數(shù)據(jù)，以免干擾MAXl457對PC機的讀寫，將ECS信號拉高，讀取16位串行數(shù)據(jù)后，需要拉低ECS信號，釋放對E2PROM的控制要使74HC244不使能，并將MCS拉高，使MAXl457正常工作來載入相應的參數(shù)。開始開始74HC244使能將MCS拉低將MCS拉高寫入寫命令寫入16位數(shù)據(jù)將ECS拉低74HC244不使能將MCS拉高結(jié)束寫入8位地址寫入寫能使命令寫入寫能使命令圖4-3寫操作流程圖寫操作與讀操作類似，不同的是在寫之前要進行一個寫使能操作。數(shù)據(jù)采集模塊也是通過并口模擬串行通訊實現(xiàn)的，主要是對寄存器的設(shè)置。4.5MAX1457補償步驟MAX1457中有兩個16位的DAC(STCDAC和OTCDAC)，分別用于修正滿量程TC和漂移TC。而且兩個系數(shù)隨溫度變化，也就是向量表補償。這是ASIC能達到高精度溫度補償?shù)脑?。但是，向量表的使用是可以用ASIC選擇的，若將其關(guān)閉，則在整個溫度范圍內(nèi)只用一個單獨的滿量程TC和一個單獨的漂移TC系數(shù)來修正傳感器的誤差。我們將這種模式稱為“線性補償”。這不是真正的線性，但是十分近似。而且這種補償是純模擬的(連續(xù)的)，也就是沒有數(shù)字量化噪聲。ASIC修正滿量程TC誤差和修正漂移TC誤差的方法是完全不同的。但是，這兩種誤差都是在純模擬(連續(xù)的)方式中獲得的。因為在滿量程TC修正完成以前，不能完成漂移TC的修正，所以，首先進行滿量程TC誤差補償。

4.5.1量程溫度系數(shù)補償MAXl457是以硅壓阻傳感器為主要對象專門設(shè)計的。它利用傳感器的某些獨特的特性來提高精度，降低成本。因此有必要先搞清這類傳感器的特性。傳感器內(nèi)有一個惠斯通電橋，傳感器輸入阻抗的任何變化將被ASIC解釋為溫度的變化。一個壓阻型傳感器電橋電阻的典型溫度系數(shù)可達3000ppm/℃。這里的溫度是在傳感器元件上實際測量的溫度，這就減小了壓力傳感器和溫度傳感器之間的熱量梯度誤差，改善溫度的瞬間誤差。通過對傳感器的理解，我們知道TCR(電橋阻抗溫度系數(shù))與TCS(靈敏度溫度系數(shù))方向相反，若大小相等，則隨著溫度的變化可相互抵消，這樣就消除了滿量程溫度誤差。然而，TCR往往大于TCS，在先前的測量方法中一般忽略此問題。ASIC正是調(diào)整激勵電流，有一個反饋系統(tǒng)，順時針旋轉(zhuǎn)TCR的斜率，直到與TCS的大小相等。MAXl457的補償思路也在于此[14]。下面詳細分析。圖4-4表示TCR和TCS隨溫度變化的關(guān)系。其中TCR隨溫度增加而增加，而TCS隨溫度增加而降低。因為ASIC是用恒定電流激勵，而Rb(傳感器輸入阻抗)是隨溫度變化的，所以Vb應當隨溫度變化。由于Vb=Ib×Rb，當Rb隨溫度增加時，激勵電壓Vb也隨溫度增加。而且，我們注意到，傳感器輸出電壓是和Vb成正比的。我們可以認為，如果傳感器的靈敏度不隨溫度變化，傳感器的輸出(滿量程和漂移)應當隨溫度增加。但是，當溫度增加時，硅PRT的靈敏度是降低的。對大多數(shù)傳感器來講，這一變化比TCR的變化要小。由此，在恒流激勵時，大多數(shù)硅傳感器具有一個正的未補償非線性滿量程TC誤差如圖4-4。一個理想的TCR應當在數(shù)值上等于TCS，而符號相反。這樣，當采用好的恒流源驅(qū)動時，我們就可以完全消除熱的影響，滿量程將不隨溫度變化。TCR 未補償量程TC(ppm) 理想TCR 溫度TCS圖4-4TCR和TCS隨溫度變化得關(guān)系通常，傳感器生產(chǎn)廠試圖優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，比如他們可以生產(chǎn)一種傳感器，使其TCR在數(shù)值上等于TCS，而符號相反。這樣通過設(shè)計就消除了滿量程TC誤差。在恒流源模式下，可以將滿量程TC誤差降低到百分之幾。但是，傳感器生產(chǎn)廠不可能嚴格控制技術(shù)參數(shù)，以進一步改進傳感器的誤差[15]。4.6本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的軟件組成，分析了非線性補償和溫度補償?shù)乃惴ê蛯崿F(xiàn)方法，同時對數(shù)字濾波的實現(xiàn)方法進行了敘述。智能壓力傳感器軟件設(shè)計主要包括主程序，及實現(xiàn)測溫、測壓、數(shù)字濾波、非線性校正和溫度補償?shù)裙δ茏映绦?。?章性能測試5.1測試內(nèi)容補償與標定系統(tǒng)的測試包括功能測試和性能測試。功能測試如采集傳感器電橋電壓和MAXl457的輸出電壓、讀寫E2PROM等。論文工作中測試的內(nèi)容主要集中在性能指標測試，包括如下內(nèi)容：(1)傳感器補償前的測定試驗；(2)傳感器補償試驗；(3)傳感器補償后的測定試驗。5.2測試結(jié)果對壓阻式傳感器進行了補償前后的傳感器測定試驗和傳感器補償試驗，獲得了補償前后的傳感器的試驗數(shù)據(jù)。對于壓阻式傳感器而言，溫度誤差占傳感器總誤差的比重最大，而且補償前傳感器的總的不確定度較好，所以MAXl457對壓阻式傳感器的補償主要是溫度漂移的補償。表5-1給出了壓阻式傳感器補償前和MAXl457補償后輸出的零點和滿量程的具體數(shù)據(jù)。表5-1補償前后傳感器輸出零點和滿量程比較校準狀態(tài)校準壓力（KPa）輸出電壓（V）溫度（℃）-200204060補償前補償后0Voutmin0.481V0.374V0.307V200Voutmax0.669V4.362V4.110V0Voutmin0.505V0.504V0.501V0.506V0.508V200Voutmax4.511V4.512V4.507V4.506V4.508V注：1）Vout