多路可編程壓力傳感器自動(dòng)調(diào)校系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

郭昊慶，胡景春，寧金躍

（南昌航空大學(xué) 研究生學(xué)院，江西 南昌 330063）

在汽車制造業(yè)和工業(yè)控制領(lǐng)域，壓力傳感器應(yīng)用廣泛，對(duì)壓力傳感器的精度有比較高的要求。集成相對(duì)壓力傳感器MLX90807和集成絕對(duì)壓力傳感器MLX90808是Melexis公司生產(chǎn)的可編程壓力傳感器，對(duì)這種壓力傳感器的標(biāo)定至少要進(jìn)行3個(gè)溫度點(diǎn)和2個(gè)壓力點(diǎn)的調(diào)理補(bǔ)償，通過連接Melexis公司的PTC04編程器將標(biāo)定數(shù)據(jù)寫入傳感器的存儲(chǔ)芯片中，使該壓力傳感器的電壓輸出能精確反映其工作場(chǎng)所壓力的變化。以前對(duì)該系列壓力傳感器的標(biāo)定采用人工操作，在操作過程中要對(duì)需校準(zhǔn)的壓力傳感器的工作容器的溫度和壓力進(jìn)行控制，工序繁雜，同時(shí)會(huì)給調(diào)理補(bǔ)償過程帶來(lái)人為干擾和誤差，影響壓力傳感器的校準(zhǔn)精度[1]。根據(jù) MLX90807、MLX90808對(duì)標(biāo)定過程和環(huán)境的要求，研制了基于PCI總線的多路壓力傳感器調(diào)校系統(tǒng)，以代替人工操作。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

工控機(jī)通過PCI總線插卡測(cè)量工作容器的壓力和溫度，同時(shí)根據(jù)反饋信號(hào)控制工作容器內(nèi)部的壓力和溫度，以滿足壓力傳感器的調(diào)理補(bǔ)償要求。系統(tǒng)硬件由工控機(jī)、PCI插卡、信號(hào)屏蔽盒、工作容器和PTC04模塊組成。

工控機(jī)對(duì)目標(biāo)壓力點(diǎn)和溫度點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，將數(shù)據(jù)分析處理，得到參數(shù)后，PTC04模塊將各參數(shù)寫入壓力傳感器的存儲(chǔ)單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力傳感器MLX90807、MLX90808的標(biāo)定。

微機(jī)通過壓力、溫度測(cè)控插卡實(shí)現(xiàn)對(duì)工作容器溫度、壓力的測(cè)量，控制增壓閥、減壓閥、電熱器和風(fēng)扇。閥門和電熱器的控制用于使容器達(dá)到目標(biāo)壓力點(diǎn)和目標(biāo)溫度點(diǎn)，風(fēng)扇用于均恒工作容器內(nèi)部溫度。

PCI插卡的硬件主要由PCI總線接口模塊、溫度和壓力測(cè)量模塊(A/D)、PWM溫度控制模塊、可調(diào)閥門控制模塊(D/A)、開關(guān)量控制模塊5部分組成。工作容器的測(cè)控結(jié)構(gòu)如圖2所示，PCI插卡完成對(duì)圖中各數(shù)字量和模擬量的測(cè)量和控制。為了使壓力控制更加精確，設(shè)計(jì)了D/A轉(zhuǎn)換電路,產(chǎn)生4～20 mA電流信號(hào)控制可調(diào)閥門。

1 PCI總線接口設(shè)計(jì)

測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)通過PCI總線與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互。系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)PCI接口芯片CH365實(shí)現(xiàn)接口功能。

圖2 工作容器測(cè)量信號(hào)和控制信號(hào)框圖

CH365是一種連接PCI總線的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存儲(chǔ)器映射、擴(kuò)展ROM以及中斷，CH365將32位高速PCI總線轉(zhuǎn)換為8位主動(dòng)并行接口，性價(jià)比高，它與PCI總線的連接方式如圖3所示[2]。

PCI_AD[0～31]為地址和雙向數(shù)據(jù)復(fù)用信號(hào)線；PCI_CBE[0～3]為總線命令和字節(jié)使能復(fù)用信號(hào)線；PCI_PAR為三態(tài)雙向奇偶校驗(yàn)信號(hào)線；PCI_IDSEL為初始化設(shè)備選擇信號(hào)線，高電平有效；PCI_FRAME為幀周期開始信號(hào)線，低電平有效；PCI_IRDY為發(fā)起設(shè)備準(zhǔn)備信號(hào)線，低電平有效；PCI_TRDY為目標(biāo)設(shè)備準(zhǔn)備信號(hào)線，低電平有效；PCI_DEVSEL為目標(biāo)設(shè)備選中信號(hào)線，低電平有效；PCI_INTA為中斷請(qǐng)求信號(hào)線，低電平有效；PCI_CLK為系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)線，上升沿有效；PCI_RST為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)線，低電平有效。

CH365的8位主動(dòng)并行口與8255相連，通過8255擴(kuò)展的并行口來(lái)控制A/D轉(zhuǎn)換、與單片機(jī)89C2051通信、讀取工作容器內(nèi)部壓力值和控制固態(tài)繼電器進(jìn)行溫度控制；74LS373與CH365相連，用來(lái)控制8個(gè)繼電器的通斷，產(chǎn)生工作容器門控、風(fēng)扇起停等一些開關(guān)量的控制信號(hào)。

2 溫度和壓力測(cè)量模塊

2.1 三線制熱電阻測(cè)溫電路

采用熱電阻測(cè)量工作容器的溫度。熱電阻是一種電阻值隨環(huán)境溫度變化的溫度傳感器，通過A/D轉(zhuǎn)換測(cè)得電壓值，得出電阻大小，查表得到對(duì)應(yīng)溫度值。為了去除連接導(dǎo)線所具有的線路電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，采用恒壓三線制測(cè)量電路，如圖4所示。

圖4 三線制熱電阻測(cè)量溫度電路圖

圖中Rt是熱電阻，R是導(dǎo)線的等效電阻，VR是+12 V參考電壓，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADS7805，β是測(cè)溫電壓信號(hào)通過放大電路所放大的倍數(shù)。通過模擬開關(guān)MAX309選通連接V1或V2點(diǎn)，分別測(cè)得V1和V2的電壓值。

由歐姆定律：

熱電阻阻值為：

Rt=Rv(2V1-V2)/(VR-V2)

用ADS7805測(cè)得 V1和V2，即可計(jì)算出熱電阻 Rt的阻值，得到工作容器溫度。

2.2 壓力測(cè)量電路

工作容器中壓力傳感器信號(hào)是微弱的模擬信號(hào)，通過放大電路后，送至A/D轉(zhuǎn)換模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用美國(guó)Burr-Brown公司生產(chǎn)的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7805。ADS7805是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部帶有采樣、保持、電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘電路，最高采樣頻率達(dá)100 kHz，采樣結(jié)果全16位并行輸出，采用+5 V供電，輸入模擬量范圍為-10 V～+10 V，穩(wěn)定性好。具體電路如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路示意圖

3 PWM溫控模塊

采用PWM方式控制固態(tài)繼電器JGX-5F實(shí)現(xiàn)加熱控制。PWM控制就是使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。在PWM信號(hào)中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值，按一定比例系數(shù)改變各脈沖寬度即可，即通過改變PWM波的占空比，使固態(tài)繼電器對(duì)溫度進(jìn)行控制[3]。PWM溫控模塊電路如圖6所示。

圖6 PWM溫控模塊示意圖

采用89C2051單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)[4]。89C2051的P3.2口接8255的PC1口，用于接收中斷信號(hào)；89C2051的P1口連接8255的PA口，外部中斷產(chǎn)生后，接收由PCI總線發(fā)給8255的操作類型碼和PWM控制數(shù)據(jù)；P3.3口輸出PWM信號(hào)，經(jīng)過整形電路發(fā)送至固態(tài)繼電器，對(duì)工作容器的溫度進(jìn)行控制。

4 可調(diào)閥門D/A控制電路

為了提高工作容器內(nèi)部壓力調(diào)節(jié)的精度，設(shè)計(jì)了可調(diào)閥門控制電路。采用TLC5617芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，輸出2路4～20 mA電流，分別對(duì)可調(diào)增壓閥和可調(diào)減壓閥進(jìn)行控制。具體電路如圖7所示。

圖7 D/A轉(zhuǎn)換控制模塊示意圖

TLC5617是雙端10位串行D/A芯片，內(nèi)有2路10位CMOS電壓輸出DAC，+5 V供電，具有上電復(fù)位功能，功耗低。采用MC1403給TLC5617提供2.5 V參考電壓，89C2051收到中斷信號(hào)后，讀取操作類型碼，判斷后進(jìn)入D/A模式，將讀取的數(shù)據(jù)以串行模式經(jīng)P3.7口發(fā)送至TLC5617的DIN腳。TLC5617的片選端CS和串行時(shí)鐘端SCLK分別連接89C2051的P3.4和P3.5口，用來(lái)控制D/A轉(zhuǎn)換的時(shí)序。D/A轉(zhuǎn)換完成后，TLC5617的OUTA和OUTB端輸出2路0～5 V電壓信號(hào)，經(jīng)雙運(yùn)放LM358和NPN三極管組成的V/I電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)，用以控制2路壓力調(diào)節(jié)閥。

5 開關(guān)量控制模塊

該控制模塊共有8路開關(guān)量控制信號(hào)，用于一些開關(guān)量控制，同時(shí)增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展功能。風(fēng)扇的開關(guān)量控制用于配合加熱模塊使工作容器恒溫，門控信號(hào)用于控制工作容器的開關(guān),另外還提供了儲(chǔ)氣罐、真空罐等開關(guān)量控制信號(hào)。采用8D鎖存器芯片74LS373與CH365的8位并行口相連，用CH365的A13進(jìn)行鎖存控制，可以控制8個(gè)繼電器通斷，產(chǎn)生8路開關(guān)量控制信號(hào)。

硬件調(diào)試表明,系統(tǒng)各模塊均能正常工作，滿足MLX90807、MLX90808調(diào)理補(bǔ)償?shù)囊?。通過聯(lián)合測(cè)試軟件進(jìn)行預(yù)調(diào)試，工作穩(wěn)定可靠，已開始用于壓力傳感器的自動(dòng)調(diào)理補(bǔ)償及標(biāo)定。

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