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智能壓力傳感器系統中FPGA的應用設計
來源:維庫開發網
摘要:   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。
Abstract:
Key words :

   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RS232C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0~10V,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轉換器  選擇內含采樣保持器的12位A/D轉換器AD1*,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。 
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