0 引 言
傳統(tǒng)氣體壓力測(cè)量?jī)x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(cè)對(duì)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(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?br />
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(kāi)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)闹悄軅鞲衅飨到y(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(chǎng)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(cè)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RS 232C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0～10 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(zhuǎn)換器 選擇內(nèi)含采樣保持器的12位A／D轉(zhuǎn)換器AD1674，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(kāi)關(guān) 采用四選一多路模擬開(kāi)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(cè)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(guò)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(cè)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,。
2．2 傳感器溫度補(bǔ)償方法
對(duì)壓力傳感器來(lái)說(shuō),，環(huán)境溫度對(duì)其測(cè)量結(jié)果有較大的影響，為了消除溫度引起的誤差,，需要對(duì)傳感器的信號(hào)做溫度補(bǔ)償,。通過(guò)測(cè)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(cè)量值,；yc經(jīng)溫度補(bǔ)償后的測(cè)量值,；△φ為傳感器的實(shí)際工作溫度與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(guò)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(duì)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(kāi)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(cè)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(cè)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(jí),，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示,。
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(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)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(kāi)發(fā)工具(SDK)進(jìn)行開(kāi)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(guò)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(cè)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(guò)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(cè)量壓力數(shù)據(jù),，并將數(shù)據(jù)輸出,。
4 結(jié) 語(yǔ)
在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分利用FPGA構(gòu)建系統(tǒng)靈活,，軟,、硬件開(kāi)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(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。FPGA把過(guò)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(chǎng)干擾的能力,。