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

　　0 引 言

　　傳統(tǒng)氣體壓力測(cè)量?jī)x器的傳感器部分與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是分離的，抗干擾的能力較差，并且通常被測(cè)對(duì)象的壓力變化較快。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?/P>

　　在此，利用FPGA具有擴(kuò)展靈活，可實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)(SoC)，同時(shí)具有多種IP核可供使用等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了能夠控制多路模擬開關(guān)、A／D轉(zhuǎn)換、快速數(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)更加緊湊，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

　　1．1 智能傳感器系統(tǒng)性能要求

　　傳感器壓力測(cè)量范圍：0～5 MPa；系統(tǒng)精度：±0．1％FS；1通道模擬電壓輸入(壓力信號(hào))大于250 sampies／通道／s；采用串行RS 232C接口輸出。

　　1．2 系統(tǒng)主要元器件及性能

　　根據(jù)系統(tǒng)的精度指標(biāo)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(zhuǎn)換器 選擇內(nèi)含采樣保持器的12位A／D轉(zhuǎn)換器AD1674，其轉(zhuǎn)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。

　　多路模擬開關(guān) 采用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引腳為通道選擇信號(hào)。

　　輸出電平轉(zhuǎn)換接口 系統(tǒng)使用MAX232芯片完成TTL和RS 232C電平的轉(zhuǎn)換。

　　2 系統(tǒng)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(cè)信號(hào)；y為系統(tǒng)輸出；ε，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)進(jìn)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。