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高精度压力数据采集系统设计

2008年6月JOURNALOFBEIHUAUNIVERSITY(NaturalScience)Jun.2008

文章编号:100924822(2008)0320274203

高精度压力数据采集系统设计

庄　严1,伊　凤2(1.北华大学电气信息工程学院,吉林吉林　132021;

2.中国石油天然气股份有限公司吉林石化分公司研究院,吉林吉林　132021)

摘要:介绍了一种高精度压力数据采集系统的设计方法.以高性能MSC1211Y5微处理器为核心,采用高精度硅压式压力传感器采集数据,配以信号处理,同时利用RS2485接口构成总线型通信网络,形成一个高精度数据采集系统.

关键词:数据采集;压力;传感器;微处理器中图分类号:TP274.2 文献标识码:A　

收稿日期:2007212211

作者简介:庄严(1968-),女,副教授,硕士,主要从事智能检测与自动化装置设计研究.

DesignofHighAccuracyPressureDataAcquisitionSystemZHUANGYan1,YIFeng2(1.ElectricInformationEngineeringCollegeofBeihuaUniversity,Jilin132021

,China;

2.ChinaPetroleumJilinPetro2chemResearchInstitute,Jilin132021,China

)

Abstract:Adesignmethodofhighaccuracypressuredataacquisitionsystemisintroduced.MSC1211Y5withhigh2performancemicroprocessorsisthecore,usinghighaccuracysiliconpressuresensorcollectsdata,coupledwithsignalprocessing,usingRS2485interfaceconstitutedbus2communicationnetworkssothatahighaccuracydataacquisitionsystemisformed.Keywords:Dataacquisition;Pressure;Sensor;Microprocessor

作为常见的工程量之一,对压力的数据采集技术研究很多.微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用[1],不仅为数据采集系统的应用开拓了广阔的前景,也对压力数据采集系统的发展产生了深

刻的影响.

在石油、化工、冶金等工业及科研领域中,都必须进行相关的压力检测与分析.通常,描述过程参量的压力值变化速度较慢,但在压力信号的采集过程中,要求非电2电的转换精度非常高.所以,高精度是压力数据采集技术研究与发展的一个主要方向.

1　设计方案高精度压力数据采集系统应具有精度高、稳定性优良、误差小、灵敏度高等优良特性[2],并结合具体

应用全面考虑设计技术指标所提出的各项要求,在实现功能、保证精度的前提下力求实现小型化、低成本和低功耗.

压力数据采集、微型计算机和数字信号处理,设计方案如图1所示.以单片机为核心,利用多个压力传感器采集被测信号,经多路开关切换;由温度传感器检测系统工作温度,进行温度补偿,经信号处理后,输出数字量与模拟量,并与上位机进行通信,实现信息传递;电源模块为系统供电.

2　系统组成高精度压力数据采集系统的硬件电路分为4个部分:电源模块、传感器模块、MCU模块和数据输出模块.电源模块为集成芯片提供5V的工作电压,设计为可充电电池供电;传感器模块选取高精度硅压式压力传感器,用来将被测物理量转换为相应的电压信号;MCU模块是整个系统的核心;数据输出模块实现数据通信.为了实现高精度的要求,控制单元采用MSC1211Y5.设计选用RS2485接口实现系统的通信功能,

其系统组成结构如图2所示.

图1　压力数据采集系统原理Fig.1　Principleofpressuredataacquisitionsystem图2　压力数据采集系统结构Fig.2　Structureofpressuredataacquisitionsystem

3　系统硬件设计

3.1　压力传感器的应用设计Motorola公司生产的X型硅压力传感器克服了普通硅压阻式传感器的缺点,采用单个X型电阻元件专利技术,而不是电桥结构,其压敏电阻元件呈X型,因而称为X型压力传感器.该X型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上,并采用计算机控制的激光修正技术、温度补偿技术,使Motorola硅MPX系列压力传感器的精度很高,其模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压,具有极好的线性度,且灵敏度高,长期重复性好.本系统设计采用MPX2100DP高精度硅压式压力传感器作为压力检测元件.基于传感器融合理论,融入环境温度信息,利用单片机实现压力传感器的非线性和温度补偿,可以很好地满足系统的要求[3].MPX2100DP具有如下特点:1)传感器灵敏度较高,为(40±1.5)mV;2)传感器由热敏电阻组

成温度补偿网络,在-40℃～+125℃范围内有较好的温度补偿效果,从而提高了传感器的精度;3)具有极好的线性度(±0.25%FS);4)有较宽的工作温度范围(-40℃～+125℃);5)允许过载大(400%);

6)具有数字输出和模拟输出.3.2　单片机MSC1211Y5的应用根据设计的高精度要求,此压力数据采集系统以24位高精度低功耗微处理器MSC1211Y5[4]为核心,

实现对传感器信息的处理、数字通信和智能化管理.利用计算机现成的RS2485标准串行口实现与系统的通信,能够满足大多数工业控制系统的要求,稍加改进,即可实现远程控制和网络控制.

MSC1211Y5内部集成了24位无丢失码、低噪声S2Σ2ΔA/D转换器和16位D/A转换器.从压力传感元件输出的信号可以直接送入到微处理器内部的A/D转换器,其内部具有可编程增益放大器,可根据输入信号的范围自动设置增益放大倍数.A/D转换器对模拟信号数字化并进行数字滤波后,由MCU根据从温度芯片读来的温度信号,从FLASH存储器中读取零点、线性度校正系数后,进行温度补偿和非线性补偿,然后根据量程范围进行量程转换并将其送到内部的D/A转换器,从而输出相应的模拟电压值,同时将压力以相应的单位显示在显示器上[5].

4　系统软件设计本系统软件采用结构化的程序设计方法来实现.根据高精度压力数据采集系统的功能要求,软件由若干个模块构成,便于调试与检查.主程序流程见图3.

系统软件主要包含以下模块:1)微处理器MSC1211Y5的各种寄存器、A/D转换器和D/A转换器初始化;2)A/D转换器的校准,包括各通道增益、零点漂移校正;3)现场压力和温度数据的采集;4)压力传感器的温度补偿和非线性补偿;5)A/D,D/A数据输出;6)与上位机通信.各模块之间通过动态数据、静态数据以及运行状态相互联结形成以数据驱动方式运行的整体[6].各模块连接关系及数据流向见图4.

图3　系统主程序流程Fig.3　Flowofthemainprogramofsystem图4　软件功能模块及数据流向Fig.4　Softwarefunctionmoduleanddatadirection

5　结语本系统采用了先进的智能化设计方案,选用新型的高精度压力传感器对信号进行采集,结合当今先进的嵌入式系统开发方式,完成了对被测压力信号的精确测试及相关的数据处理,输出调节信号还可以控制系统的温度变化,形成完善的自我调节,实现了压力数据的高精度采集.同时,系统还具备分辨率高、抗干扰能力强、使用寿命长,可在各种恶劣的环境下工作等特点.

参考文献:

[1]梁秀红,鞠玉林,任丙彦.扩散硅压阻传感技术的研究现状与发展趋势[J].河北工业大学成人教育学院学报,2000,15(2):37238,51.[2]刘继勇,刘星.扩散硅压力传感器及变送器参数测试系统[J].西安工业学院学报,2002,22(3):2252229.[3]赵彦晓,孙以材,田立强,等.基于单片机信息融合实现对压力传感器的热漂移非线性补偿[J].传感器世界,2003(3):127.[4]褚斌,徐力.多参数新型智能变送器的设计[J].仪表技术与传感器,2004(10):54256.[5]JohanH.Huijsing.IntegratedSmartSensors[J].SensorandActuatorsA,1992,30:1672174.[6]沈红卫.单片机应用系统设计实例与分析[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.【责任编辑:郭伟】

672北华大学学报(自然科学版) 第9卷

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