FPGA在智能壓力傳感器系統中的應用設計

　　引 言

　　傳統氣體壓力測量儀器的傳感器部分與數據采集系統是分離的，抗干擾的能力較差，并且通常被測對象的壓力變化較快。因此不僅要求系統具有較快的數據吞吐速率，而且要能夠適應復雜多變的工業環境，具有較好抗干擾性能、自我檢測和數據傳輸的功能。

　　在此，利用FPGA具有擴展靈活，可實現片上系統(SoC)，同時具有多種IP核可供使用等優點，設計了能夠控制多路模擬開關、A/D轉換、快速數據處理與傳輸、誤差校正、溫度補償的智能傳感器系統;同時將傳感器與數據采集處理控制系統集成在一起，使系統更加緊湊，提高了系統適應工業現場的能力。

　　1 系統性能及元器件

　　1.1 智能傳感器系統性能要求

　　傳感器壓力測量范圍：0～5 MPa;系統精度：±0.1%FS;1通道模擬電壓輸入(壓力信號)大于250 sampies/通道/s;采用串行RS 232C接口輸出。

　　1.2 系統主要元器件及性能

　　根據系統的精度指標的要求選擇器件：

　　FPGA芯片 選用Altera的CycloneⅡEP2C5，其邏輯單元有4 608個LE，26個M4K RAM塊，142個用戶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轉換器 選擇內含采樣保持器的12位A/D轉換器AD1674，其轉換時間為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 采用四選一多路模擬開關AD7502，其引腳設置為EN=1的使能信號;A1A0引腳為通道選擇信號。

　　輸出電平轉換接口 系統使用MAX232芯片完成TTL和RS 232C電平的轉換。

　　2 系統誤差校正方法

　　2.1 零點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為被測信號;y為系統輸出;ε，k，i為影響系統的未知量。

　　誤差校正過程為：

　　當S1閉合時，x=0，依據誤差校正公式得到式(2)，用于系統零點校準;

　　當S2閉合時，x=E(標準電壓)，得到公式(3)，用于系統增益誤差校正;

　　聯立式(2)、式(3)可得誤差校正因子：

　　當進行實際測量時S3閉合，利用計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y。 function ImgZoom(Id)//重新設置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

　　2.2 傳感器溫度補償方法

　　對壓力傳感器來說，環境溫度對其測量結果有較大的影響，為了消除溫度引起的誤差，需要對傳感器的信號做溫度補償。通過測量傳感器的工作溫度實現傳感器溫度的補償。傳感器的溫度誤差校正模型為：

　　式中：y為測量值;yc經溫度補償后的測量值;△φ為傳感器的實際工作溫度與標準測量溫度之差;a0為校正溫度變化引起的傳感器標度變化系數，a1為校正溫度引起的傳感器零位漂移變化系數，這兩個系數反映了傳感器的溫度特性。

　　2.3 隨機誤差消除方法

　　系統采用算術平均的數字濾波方法消除系統的隨機誤差，通過連續N個采樣值取其算術平均值，得數學表達式為：

　　適合用于對具有隨機干擾信號的濾波。

　　3 系統硬件結構設計

　　依據系統的誤差校正和溫度補償方法，可得系統的硬件連接結構如圖2所示。圖2中模擬多路開關AD7502的4個輸入通道分別為：A1A0=00，選通S0，S0通道接地，用于零點漂移校準;A1A0=01，選通S1，S1通道接+5 V(為AD1674最大輸入電壓的50%)，用于增益誤差校正;A1A0=10，選通S2，S2通道接溫度測量信號，用于傳感器的溫度補償;A1A0=11，選通S3，S3通道連接壓力測量信號。通道選通信號A0，A1由FPGA芯片中的DAS_A0和DAS_A1引腳控制。

　　系統中A/D轉換器AD1674采用獨立工作模式，其控制引腳設置為：CE和12/8接高電平;CS和A0接低電平。此時，AD1674設置為12位A/D轉換，12位數據輸出，其轉換完全由R/C控制，如圖2所示。當R/C=O時，啟動12位A/D轉換;當A/D轉換結束時，狀態信號STS=0，否則STS=1;當R/C=1時，讀取12位A/D轉換數據。R/C信號由FPGA芯片的DAS_RC控制。整個系統由基于FPGA的片上系統(SoC)控制。其中，FPGA芯片中的DAS_STS，DAS_RC，DAS_IN，DAS_A引腳為用戶定制邏輯，即DAS控制單元的外部接口，用于控制AD1674的工作時序轉換和AD7502的通道選擇。

　　3.1 SoC結構的實現

　　SoPC設計由CPU、存儲器接口、標準外設和用戶定制邏輯單元模塊等組件構成。Altera的SoPCBuilder工具提供了大量IP核可供調用，可以很方便地在單片FPGA芯片上配置嵌入NoisⅡ處理器軟核、片上RAM和RS 232控制器、擴展片外存儲器、用戶定制邏輯單元，同時自動地為系統的每個外設分配地址、連接系統總線，確定設備優先級，其內部結構如圖3所示。

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　　3.2 數據采集控制單元的實現

　　數據采集系統(DAS)控制單元是整個系統的核心，其輸入端口及其功能：DAS_STS用于接收AD1674的STS狀態信號;DAS_IN(12位)用于接收AD1674并行12位轉換輸出;CLK，RST用作系統時鐘和RESET的信號。輸出端口DAS_RC接AD1674的R/C端，用以控制A/D轉換器的啟動和讀數;DAS_A用作控制AD7502的A1A0通道選通信號;DAS_OUT(加通道的序號為16位)用作DAS控制單元的16位輸出數據。

　　DAS控制單元的有限狀態機(FSM)有4個狀態，分別為St0，St1，St2，St3。St0為選擇通道，啟動A/D轉換，進入St1狀態;St1為等待轉換結束，若轉換結束，進入St2狀態，否則保持在St1狀態;St2為發出讀數據信號，進入St3狀態;St3為輸出轉換數據;選擇其他通道，返回St0狀態。DAS控制單元采用VHDL語言進行開發，程序的部分代碼如下所示：

　　DAS控制單元的仿真如圖4所示。圖中顯示控制單元運行正確。

　　3.3 智能傳感器系統軟件工作流程

　　系統中誤差校正和溫度補償由系統軟件控制完成。系統軟件由SoPC Builder工具中的軟件開發工具(SDK)進行開發。系統軟件流程如圖5所示。

　　系統上電初始化并啟動DAS控制單元，選通每個通道并消除每個通道的隨機誤差;然后根據校正過的0通道和1通道的數值，實時計算出誤差校正因子，依據誤差校正公式(1)實時校正零點漂移校準和增益誤差，再根據測量得到傳感器的工作溫度，計算與標準溫度的差值，通過查表獲得傳感器溫度變化系數，最后依據溫度補償公式(5)校正測量壓力數據，并將數據輸出。

　　4 結 語

　　在系統的設計過程中，充分利用FPGA構建系統靈活，軟、硬件開發相結合的特點，在滿足系統性能的基礎上，合理分配軟硬件功能，簡化系統設計。FPGA把過去由分立芯片實現的系統放在單個芯片中，這種單片系統的設計，大大提高了系統的穩定性和可靠性，同時提高了系統抗工業現場干擾的能力。