FPGA在智能压力传感器系统中的应用设计

2010-01-12 20:27:28来源: 张娟 关键字:FPGA  智能压力传感器系统

  0 引 言

  传统气体压力测量仪器的传感器部分与数据采集系统是分离的,抗干扰的能力较差,并且通常被测对象的压力变化较快。因此不仅要求系统具有较快的数据吞吐速率,而且要能够适应复杂多变的工业环境,具有较好抗干扰性能、自我检测和数据传输的功能。

  在此,利用FPGA具有扩展灵活,可实现片上系统(SoC),同时具有多种IP核可供使用等优点,设计了能够控制多路模拟开关、A/D转换、快速数据处理与传输、误差校正、温度补偿的智能传感器系统;同时将传感器与数据采集处理控制系统集成在一起,使系统更加紧凑,提高了系统适应工业现场的能力。

  1 系统性能及元器件

  1.1 智能传感器系统性能要求

  传感器压力测量范围:0~5 MPa;系统精度:±0.1%FS;1通道模拟电压输入(压力信号)大于250 sampies/通道/s;采用串行RS 232C接口输出。

  1.2 系统主要元器件及性能

  根据系统的精度指标的要求选择器件:

  FPGA芯片 选用Altera的CycloneⅡEP2C5,其逻辑单元有4 608个LE,26个M4K RAM块,142个用户I/O引脚。

  压力传感器 采用PDCR130W,压力范围0~7 MPa,工作电压直流10~30 VDC,输出0~10 V,精度±0.05%FS,使用温度范围-40~+125℃,温度影响±0.015%FS/℃。

  温度传感器 采用高精度集成温度传感器LM335,其灵敏度为10 mV/K,精度为1℃,温度范围-40~+100℃。

  A/D转换器 选择内含采样保持器的12位A/D转换器AD1674,其转换时间为10 μs,0~10 V单极输入或±5 V双极输入,可并行12位输出。

  多路模拟开关 采用四选一多路模拟开关AD7502,其引脚设置为EN=1的使能信号;A1A0引脚为通道选择信号。

  输出电平转换接口 系统使用MAX232芯片完成TTL和RS 232C电平的转换。

  2 系统误差校正方法

  2.1 零点漂移和增益误差的校正方法

  在智能仪表中,误差模型的误差校正公式为:

公式

  式中:b1和b0为误差校正因子。误差校正电路模型如图1所示,其中x为被测信号;y为系统输出;ε,k,i为影响系统的未知量。

误差校正电路模型

  误差校正过程为:

  当S1闭合时,x=0,依据误差校正公式得到式(2),用于系统零点校准;

公式

  当S2闭合时,x=E(标准电压),得到公式(3),用于系统增益误差校正;

公式

  联立式(2)、式(3)可得误差校正因子:

公式

  当进行实际测量时S3闭合,利用计算出的误差校正因子和误差校正公式(1),即可求出校正后的输出信号y。

[1] [2] [3]

关键字:FPGA  智能压力传感器系统

编辑:小甘 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2010/0112/article_902.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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