FPGA在智能压力传感器系统中的应用设计

　　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

　　在智能仪表中，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。