一種智能壓力傳感器系統(tǒng)中FPGA的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)氣體壓力測量儀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，并且通常被測對象的壓力變化較快。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?strong>傳感器系統(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RS232C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0~10V,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AD1*,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. function ImgZoom（Id）//重新設(shè)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(bǔ)償方法

對壓力傳感器來說，環(huán)境溫度對其測量結(jié)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(hào)做溫度補(bǔ)償。通過測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為測量值；yc經(jīng)溫度補(bǔ)償后的測量值；△φ為傳感器的實(shí)際工作溫度與標(biāo)準(zhǔn)測量溫度之差；a0為校正溫度變化引起的傳感器標(biāo)度變化系數(shù)，a1為校正溫度引起的傳感器零位漂移變化系數(shù)，這兩個(gè)系數(shù)反映了傳感器的溫度特性。

2.3 隨機(jī)誤差消除方法

系統(tǒng)采用算術(shù)平均的數(shù)字濾波方法消除系統(tǒng)的隨機(jī)誤差，通過連續(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)償方法，可得系統(tǒng)的硬件連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中模擬多路開關(guān)AD7502的4個(gè)輸入通道分別為：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(hào)，用于傳感器的溫度補(bǔ)償；A1A0=11,選通S3,S3通道連接壓力測量信號(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A/D轉(zhuǎn)換器AD1674采用獨(dú)立工作模式，其控制引腳設(shè)置為：CE和12/8接高電平；CS和A0接低電平。此時(shí)，AD1674設(shè)置為12位A/D轉(zhuǎn)換，12位數(shù)據(jù)輸出，其轉(zhuǎn)換完全由R/C控制，如圖2所示。當(dāng)R/C=O時(shí)，啟動(dòng)12位A/D轉(zhuǎn)換；當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，狀態(tài)信號(hào)STS=0,否則STS=1;當(dāng)R/C=1時(shí)，讀取12位A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。R/C信號(hào)由FPGA芯片的DAS_RC控制。整個(gè)系統(tǒng)由基于FPGA的片上系統(tǒng)（SoC）控制。其中，F(xiàn)PGA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(shí)序轉(zhuǎn)換和AD7502的通道選擇。

3.1 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)和用戶定制邏輯單元模塊等組件構(gòu)成。Altera的SoPCBuilder工具提供了大量IP核可供調(diào)用，可以很方便地在單片F(xiàn)PGA芯片上配置嵌入NoisⅡ處理器軟核、片上RAM和RS 232控制器、擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器、用戶定制邏輯單元，同時(shí)自動(dòng)地為系統(tǒng)的每個(gè)外設(shè)分配地址、連接系統(tǒng)總線，確定設(shè)備優(yōu)先級，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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3.2 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）控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其輸入端口及其功能：DAS_STS用于接收AD1674的STS狀態(tài)信號(hào)；DAS_IN（12位）用于接收AD1674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AD1674的R/C端，用以控制A/D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)，分別為St0,St1,St2,St3.St0為選擇通道，啟動(dòng)A/D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)；選擇其他通道，返回St0狀態(tài)。DAS控制單元采用VHDL語言進(jìn)行開發(fā)，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(yùn)行正確。

3.3 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）進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)軟件流程如圖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)通道并消除每個(gè)通道的隨機(jī)誤差；然后根據(jù)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，再根據(jù)測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化系數(shù)，最后依據(jù)溫度補(bǔ)償公式（5）校正測量壓力數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸出。

4 結(jié) 語

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，充分利用FPGA構(gòu)建系統(tǒng)靈活，軟、硬件開發(fā)相結(jié)合的特點(diǎn)，在滿足系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，合理分配軟硬件功能，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。FPGA把過去由分立芯片實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)放在單個(gè)芯片中，這種單片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)提高了系統(tǒng)抗工業(yè)現(xiàn)場干擾的能力。