智能压力传感器系统中FPGA的应用设计

摘要：  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。

关键字：  智能传感器，  FPGA芯片，  智能仪表

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RS232C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0～10V，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。