文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.005
中文引用格式: 楊峰,,楊洋,,潘彬,等. 基于自主傳感器信號調(diào)理芯片溫度補(bǔ)償?shù)能浖O(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,,42(5):18-20.
英文引用格式: Yang Feng,Yang Yang,,Pan Bin,,et al. Design of the temperature compensation software based on self-made transducer signal conditioning chip[J].Application of Electronic Technique,2016,,42(5):18-20.
0 引言
針對壓阻式壓力傳感器在應(yīng)用中易發(fā)生溫度漂移的問題,,開發(fā)了一種智能壓阻式傳感器溫度補(bǔ)償系統(tǒng),。該方法利用現(xiàn)代信號調(diào)理技術(shù),以信號調(diào)理芯片為核心,,通過插值法對采集的溫度補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行擬合,,從而實現(xiàn)了對壓阻式壓力傳感器溫度漂移的高精度補(bǔ)償。
在實際應(yīng)用中,,大多數(shù)壓力傳感器為集成單臂電橋和差分輸出信號的壓阻式傳感器,,這類傳感器具有高靈敏度、高線性度,、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,,但是由于硅壓阻傳感器使用的半導(dǎo)體材料——硅的固有特性,使得該傳感器存在一致性差,、溫度漂移和非線性等問題[1],,同時由于其擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)較大和制作工藝,使其在寬溫區(qū)的高精度受限[2],。
軟件補(bǔ)償是利用計算機(jī)的強(qiáng)處理能力,,通過一系列的補(bǔ)償算法對壓力傳感器因溫度變化所產(chǎn)生的漂移進(jìn)行修正。這種方法不僅可以補(bǔ)償溫度變化對壓力傳感器造成的影響,,同時還可改善非線性指標(biāo),,是提高壓力傳感器精度的一種有效方法。與硬件補(bǔ)償相比,, 軟件補(bǔ)償?shù)男Ч?、精度高且成本低?/p>
1 補(bǔ)償流程及核心算法
1.1 傳感器補(bǔ)償流程設(shè)計
本文所設(shè)計的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)對壓阻式壓力傳感器的補(bǔ)償分為兩部分:預(yù)補(bǔ)償過程和在溫度預(yù)設(shè)點下的正式補(bǔ)償過程。由于不同的壓阻式壓力傳感器橋路電阻,、靈敏度,、輸出電壓范圍等參數(shù)存在很大差異,,需要使用前在常溫下對壓力傳感器進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償,,以保證芯片內(nèi)部電路工作在線性及可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)。預(yù)補(bǔ)償流程圖如圖1所示,。預(yù)補(bǔ)償過程通常在常溫下進(jìn)行,,目的是計算正式補(bǔ)償過程中所需要的各種寄存器的初始化值。在預(yù)補(bǔ)償之后,,可以進(jìn)入正式補(bǔ)償流程,。
正式補(bǔ)償流程圖如圖2所示,補(bǔ)償?shù)闹饕獌?nèi)容是求取設(shè)定溫度點的靈敏度補(bǔ)償系數(shù) FSO、偏移量系數(shù)補(bǔ)償系數(shù) OFFSET,。
HKA2910可以設(shè)定1~114個待定補(bǔ)償?shù)臏囟赛c數(shù),。如果只進(jìn)行單點溫度補(bǔ)償,則寫入Flash中不同溫度的補(bǔ)償數(shù)據(jù)都相同,。進(jìn)行兩點溫度補(bǔ)償時,,則會對不同溫度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。進(jìn)行三點或三點以上的溫度補(bǔ)償時,,軟件會對不同溫度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,。
1.2 補(bǔ)償數(shù)值擬合算法
如果用實驗的方法,在-55 ℃~+150 ℃的范圍內(nèi),,把各個溫度下的補(bǔ)償系數(shù)都測出來,,將是一項非常耗時且重復(fù)性強(qiáng)的工作,這是沒有必要的,。通常情況下,,選擇有限的離散溫度點對壓力傳感器進(jìn)行校正,然后記錄這些溫度點上的補(bǔ)償系數(shù),,采用軟件的算法得到在各個溫度點的補(bǔ)償系數(shù),。
采用軟件算法實現(xiàn)離散數(shù)據(jù)的線性化,通常有查表法和插值法,。查表法獲得的數(shù)據(jù)的線性度與表數(shù)據(jù)的數(shù)量有關(guān),,數(shù)據(jù)越多則線性度越好,但是數(shù)據(jù)越多所需要占用的存貯空間也越大[3],。
本系統(tǒng)采用插值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,,線性插值法是一種常用的插值方法。如圖3所示,,X為自變量,,Y為因變量,它們是非線性關(guān)系,。插值法把自變量X分成n個均勻的區(qū)間,,每個區(qū)間的端點Xn都對應(yīng)一個Yn。實際的測量值X一定會落在某個區(qū)間(Xn,,Xn+1)內(nèi),,設(shè)y=f(x)??捎美脜^(qū)間的端點值來求取一次函數(shù)表達(dá)式f(x)的值,。
采用線性插值法,只要區(qū)間分得足夠多,,就可以達(dá)到所需的計算精度,。
2 軟件介紹
為了配合所設(shè)計的補(bǔ)償流程,,本軟件通過C#語言進(jìn)行開發(fā)。利用C#提供的大量可視化控件以及第三方提供的各種強(qiáng)大的控制資源來設(shè)計交互式的操作界面,,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收,、參數(shù)設(shè)定、傳感器標(biāo)定,、數(shù)據(jù)處理和生成等功能,。
2.1 主界面
系統(tǒng)的主操作界面如圖4所示,包括工具欄,、校準(zhǔn)參數(shù)區(qū),、用戶信息區(qū)和補(bǔ)償初始值區(qū)。
修改校準(zhǔn)參數(shù)中的參數(shù)值,,能夠使得校準(zhǔn)結(jié)果的精度發(fā)生改變,。溫度點數(shù)越多,絕對誤差越小,,則校準(zhǔn)結(jié)果的精度越高,。
補(bǔ)償初始值中的數(shù)據(jù)反應(yīng)的是信號調(diào)理芯片中寄存器的值,能夠通過修改界面中的值修改寄存器,。
點擊運(yùn)行按鈕后,,界面與芯片產(chǎn)生通信,補(bǔ)償初始值區(qū)獲取到芯片中寄存器的值,。設(shè)置校準(zhǔn)參數(shù)后,,點擊預(yù)校準(zhǔn),根據(jù)提示步驟,,測量指定壓強(qiáng)下的電壓,,獲取預(yù)校準(zhǔn)后各個寄存器的值,之后在所需測試的溫度上進(jìn)行主校準(zhǔn),,獲取多個溫度點上的FSO,、Offset寄存器值,由多個不同溫度下FSO,、Offset寄存器值進(jìn)行擬合得出溫度區(qū)間內(nèi)各個溫度點的FSO,、Offset寄存器值,并寫入Flash中,,軟件校準(zhǔn)結(jié)束,。
2.2 校準(zhǔn)記錄界面
在進(jìn)行主校準(zhǔn)時,校準(zhǔn)步驟中FSO,、Offset寄存器值以及所測量電壓的變化都記錄在校準(zhǔn)記錄界面中,,如圖5所示,。
2.3 計算擬合曲線界面
此軟件提供兩種擬合方式,,一種是將每個溫度點間的寄存器值以直線連接為折線補(bǔ)償,,一種是使每個溫度點間的值連接成為一條曲線,如圖6所示,。在主校準(zhǔn)完成后默認(rèn)為曲線補(bǔ)償方式,。
在軟件應(yīng)用中設(shè)置多個溫度補(bǔ)償點,按照圖2補(bǔ)償流程圖所示進(jìn)行多個溫度下的補(bǔ)償,。在所有設(shè)置的溫度點都補(bǔ)償完畢后,,系統(tǒng)將自動根據(jù)不同校準(zhǔn)溫度下FSO和OFFSET的值擬合出從-55 ℃~+150 ℃范圍內(nèi)的所有補(bǔ)償參數(shù),并將擬合出的參數(shù)寫入芯片F(xiàn)lash中,。至此,,芯片補(bǔ)償電路就可以在規(guī)定溫度范圍內(nèi)對此傳感器進(jìn)行全自動補(bǔ)償。芯片在進(jìn)行補(bǔ)償時會利用片內(nèi)溫度傳感器檢測當(dāng)前環(huán)境溫度,,根據(jù)寄存器內(nèi)溫度數(shù)值的變化,,芯片會搜尋存儲在內(nèi)部Flash中的對應(yīng)溫度點的補(bǔ)償系數(shù)加載到相應(yīng)的寄存器中,并轉(zhuǎn)換成模擬量來修正傳感器輸出信號中的溫度誤差,。
3 結(jié)束語
用C#開發(fā)的硅壓阻式傳感器軟件補(bǔ)償系統(tǒng)改進(jìn)了原有的傳感器補(bǔ)償方法,,提高了效率,支持Windows操作系統(tǒng)運(yùn)行,,人機(jī)界面友好,。經(jīng)硬件、軟件調(diào)試后,,現(xiàn)場測試穩(wěn)定可靠,。通過對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析研究,證明該系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求,。
利用軟件實現(xiàn)傳感器溫度誤差補(bǔ)償是一種非常簡便,、有效的方法。這種方法能夠有效降低測量系統(tǒng)的電路復(fù)雜度,,并且節(jié)約成本,,無需額外的操作便可以得到可靠的數(shù)據(jù),適合對批量傳感器進(jìn)行補(bǔ)償,,因此具有極其廣泛的應(yīng)用前景,。
參考文獻(xiàn)
[1] 胡遼林.硅壓阻傳感器的智能溫度補(bǔ)償研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2012(4).
[2] 趙妍.基于MAX1452的壓力傳感器溫度補(bǔ)償[J].電器應(yīng)用,,2006(4).
[3] 王俊杰.壓力傳感器高精度溫度補(bǔ)償?shù)能浖崿F(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),,2014(11).
[4] 張宏濤.關(guān)于壓力傳感器零點熱漂移的補(bǔ)償分析[J].科技信息,2008(9).