压力传感器的高精度数据采集
(2)A/D转换电路及其原理
电路原理图如图5所示。
7135与8155的连接是通过4位2选1数据多路开关74LS157来实现的。其选通信号由7135的D5输出控制。当A/D转换结束时,D5输出高电平,74LS157选通B类通道,单片机通过PA0~PA3读入万位数B1、状态位POL(极性)、OVR(过量程)和UR(欠量程);当D5输出完成时,变为低电平(这一过程包括D4~D1数据输出周期在内),74LS157选通A类通道,单片机通过PA0~PA3将依次读入8421码值B8,B4,B2及B1,即低位BCD码,依次形成万、千、百、十、个各位BCD码(即转换结果)。8155A口中断请求线PC0反相后形成单片机的外中断0触发信号。当7135完成1次转换后,产生5个数据选通脉冲,分别将各位BCD码和位标志送入A口;A口收到一个数据后,中断线PC0变为高电平,启动单片机的中断服务程序,读取A/D转换的数据结果。7135的转换启动由P14控制,高电平转换开始,低电平保持。
经调理后的0V~2V的模拟信号通过RC低通滤波后,从IN+,IN-输入。A/D转换后的结果包括2部分:极性和量程,反映转换性质的结果。转换后的数字信号为D1,D2,D3,D41及D5,其中D5(万位)只能是1或0,其他几位为0~9的BCD码。而7135所需的参考电压为量程的确良1/2,如果量程为2V,则参考电压为1V。为了保证转换的温度稳定性和精度,采用高精度基准电源MC1403,通过金属膜多圈进口电位器调节得到。参考电压上并联的CBB电容C46(0.1mF) ,C47(1mF)主要是保证参考电压的稳定性。
积分电容是决定转换精度的关键器件。按照7135应用特性,积分电容C8和积分电阻R3与量程等有关,选用时必须满足以下要求:
R3=满度电压/20mA (3)
C8=1000×20mA×T/积分器输出摆幅 (4)
式中,T=1/fcl k。
fclk—7135的时钟频率,一般可选择250kHz,166kHz、125kHz、及100kHz、典型值为125kHz,此时7135的转换速率为3次/s。
在±5V系统中,如模拟地为0V,则摆幅为±4V,此时量程为 ?C2V~ +2V,则:R3=100kW,C8=0.47mF。
(3)PLD技术的应用
为节省了硬件电路的开销,减少硬件电路产生的电磁干扰,系统的部分电路应用了PLD技术,其可编程逻辑电路(见图5)由可编程逻辑陈列芯片GAL16V8组成,主要完成A/D转换模块所需的时钟信号和转换结束选通信号 产生单片机外中断0中断信号的逻辑转换,其逻辑方程如下:
P16= + (与非门) (5)
P14=P7+P8 (或门) (6)
P13= (非门) (7)
式中,P2 、P3、 P7分别为单片机的 、 、ALE信号;
P8—与非门输出; P9—8155的A口中断信号;P13—生成的单片机外中断触发信号。
按照上述逻辑关系生成的PLD文件经FM软件编译后,产生熔丝文件*.LED,然后通过编程器写入GAL16V8即可。
三、系统软件设计
系统软件设计采用模块化结构,采用汇编语言编程,整个程序由主程序、显示、键盘扫描、A/D转换处理等子程序模块组成。限于篇幅在此只列出了A/D转换处理子程序流程图,如图6所示。
四、非线性误差的修正
传感器、放大器、A/D转换器总是存在非线性误差,由于上述非线性关系的存在,带来了精度的降低,为了保证在整个范围内满足精度的要求,所以在实际应用中应根据控制要求对测量值进行误差修正,修正一般通过软件较准实现。其具体的修正方法应根据信号的工作区段和质量要求来确定。利用单片机的运算和控制能力对非线性关系找出修正算法,并在反复测试调整后使其达到设计要求。本系统采用分段线性插值法对测量值的曲线进行了误差修正处理。方法为:将0~XMAX分为若干工作区段,每段曲线用一段对应的折线来代替,对每段折线可求出VQ:
N t : VQ = ai×N t+bi (8)
式中,I—某段折线的序号;ai—该段折线的斜率;bi—该段折线的截距。
它们的修正程序流程图如图7所示,处理关系示意曲线如图8所示。
预先将每段的之值存于单片机中,在不同的工作区段,单片机自动地将对应的每段的上述值调出进行运算处理。(限于篇幅,定量的分析没有讨论)
五、结束语
本文描述的是一种通用的高精度压力数据采集系统,它有许多优点,可在各种恶劣的环境中正常地工作,而且抗干扰能力强、使用寿命长、分辨率高。采用液晶显示及PS/2键盘接口,实现了良好的人机交换。可广泛地应用于石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、水利等工业及科研领域的压力数据采集、检测与分析。
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