引 言

      傳統(tǒng)氣體壓力測量儀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，并且通常被測對象的壓力變化較快。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、自我檢測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

      在此，利用FPGA具有擴展靈活，可實現(xiàn)片上系統(tǒng)(SoC)，同時具有多種IP核可供使用等優(yōu)點，設(shè)計了能夠控制多路模擬開關(guān)、A／D轉(zhuǎn)換、快速數(shù)據(jù)處理與傳輸、誤差校正、溫度補償?shù)闹悄軅鞲衅飨到y(tǒng)；同時將傳感器與數(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)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0～10 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AD1*，其轉(zhuǎn)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(guān) 采用四選一多路模擬開關(guān)AD7502，其引腳設(shè)置為EN=1的使能信號；A1A0引腳為通道選擇信號。

      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(tǒng)輸出；ε，k，i為影響系統(tǒng)的未知量。

誤差校正過程為：

當(dāng)S1閉合時，x=0，依據(jù)誤差校正公式得到式(2)，用于系統(tǒng)零點校準(zhǔn)；

當(dāng)S2閉合時，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。