FPGA在智能压力传感器系统中的应用

2014-12-31 10:23:18来源: eccn 关键字:FPGA  智能压力传感器  气体压力测量仪器

0 引 言

传统气体压力测量仪器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AD1*,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

智能仪表中,误差模型的误差校正公式为:

  

 

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

  

 

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;

  

 

联立式(2)、式(3)可得误差校正因子:

  

 

 

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。

2.2 传感器温度补偿方法

压力传感器来说,环境温度对其测量结果有较大的影响,为了消除温度引起的误差,需要对传感器的信号做温度补偿。通过测量传感器的工作温度实现传感器温度的补偿。传感器的温度误差校正模型为:

  

 

式中:y为测量值;yc经温度补偿后的测量值;△φ为传感器的实际工作温度与标准测量温度之差;a0为校正温度变化引起的传感器标度变化系数,a1为校正温度引起的传感器零位漂移变化系数,这两个系数反映了传感器的温度特性。

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关键字:FPGA  智能压力传感器  气体压力测量仪器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/1231/article_10503.html
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