壓力傳感器的高精度數(shù)據(jù)采集

（2）A/D轉(zhuǎn)換電路及其原理

電路原理圖如圖5所示。

7135與8155的連接是通過(guò)4位2選1數(shù)據(jù)多路開(kāi)關(guān)74LS157來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其選通信號(hào)由7135的D5輸出控制。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，D5輸出高電平，74LS157選通B類(lèi)通道，單片機(jī)通過(guò)PA0~PA3讀入萬(wàn)位數(shù)B1、狀態(tài)位POL（極性）、OVR（過(guò)量程）和UR（欠量程）；當(dāng)D5輸出完成時(shí)，變?yōu)榈碗娖剑ㄟ@一過(guò)程包括D4~D1數(shù)據(jù)輸出周期在內(nèi)），74LS157選通A類(lèi)通道，單片機(jī)通過(guò)PA0~PA3將依次讀入8421碼值B8，B4，B2及B1，即低位BCD碼，依次形成萬(wàn)、千、百、十、個(gè)各位BCD碼（即轉(zhuǎn)換結(jié)果）。8155A口中斷請(qǐng)求線PC0反相后形成單片機(jī)的外中斷0觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)7135完成1次轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生5個(gè)數(shù)據(jù)選通脈沖，分別將各位BCD碼和位標(biāo)志送入A口；A口收到一個(gè)數(shù)據(jù)后，中斷線PC0變?yōu)楦唠娖?，啟?dòng)單片機(jī)的中斷服務(wù)程序，讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果。7135的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)由P14控制，高電平轉(zhuǎn)換開(kāi)始，低電平保持。

經(jīng)調(diào)理后的0V~2V的模擬信號(hào)通過(guò)RC低通濾波后，從IN+，IN-輸入。A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果包括2部分：極性和量程，反映轉(zhuǎn)換性質(zhì)的結(jié)果。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)為D1，D2，D3，D41及D5，其中D5（萬(wàn)位）只能是1或0，其他幾位為0~9的BCD碼。而7135所需的參考電壓為量程的確良1/2，如果量程為2V，則參考電壓為1V。為了保證轉(zhuǎn)換的溫度穩(wěn)定性和精度，采用高精度基準(zhǔn)電源MC1403，通過(guò)金屬膜多圈進(jìn)口電位器調(diào)節(jié)得到。參考電壓上并聯(lián)的CBB電容C46(0.1mF) ，C47（1mF）主要是保證參考電壓的穩(wěn)定性。

積分電容是決定轉(zhuǎn)換精度的關(guān)鍵器件。按照7135應(yīng)用特性，積分電容C8和積分電阻R3與量程等有關(guān)，選用時(shí)必須滿(mǎn)足以下要求：

R3=滿(mǎn)度電壓/20mA （3）
C8=1000×20mA×T/積分器輸出擺幅 （4）

式中，T=1/fcl k。

fclk—7135的時(shí)鐘頻率，一般可選擇250kHz，166kHz、125kHz、及100kHz、典型值為125kHz，此時(shí)7135的轉(zhuǎn)換速率為3次/s。

在±5V系統(tǒng)中，如模擬地為0V，則擺幅為±4V，此時(shí)量程為 ?C2V~ +2V，則：R3=100kW，C8=0.47mF。

（3）PLD技術(shù)的應(yīng)用

為節(jié)省了硬件電路的開(kāi)銷(xiāo)，減少硬件電路產(chǎn)生的電磁干擾，系統(tǒng)的部分電路應(yīng)用了PLD技術(shù)，其可編程邏輯電路（見(jiàn)圖5）由可編程邏輯陳列芯片GAL16V8組成，主要完成A/D轉(zhuǎn)換模塊所需的時(shí)鐘信號(hào)和轉(zhuǎn)換結(jié)束選通信號(hào) 產(chǎn)生單片機(jī)外中斷0中斷信號(hào)的邏輯轉(zhuǎn)換，其邏輯方程如下：
P16= + （與非門(mén)） （5）
P14=P7+P8　 （或門(mén)） （6）
P13= （非門(mén)） （7）
式中，P2 、P3、 P7分別為單片機(jī)的 、 、ALE信號(hào)；
P8—與非門(mén)輸出； P9—8155的A口中斷信號(hào)；P13—生成的單片機(jī)外中斷觸發(fā)信號(hào)。

按照上述邏輯關(guān)系生成的PLD文件經(jīng)FM軟件編譯后，產(chǎn)生熔絲文件*.LED，然后通過(guò)編程器寫(xiě)入GAL16V8即可。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用匯編語(yǔ)言編程，整個(gè)程序由主程序、顯示、鍵盤(pán)掃描、A/D轉(zhuǎn)換處理等子程序模塊組成。限于篇幅在此只列出了A/D轉(zhuǎn)換處理子程序流程圖，如圖6所示。

四、非線性誤差的修正

傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器總是存在非線性誤差，由于上述非線性關(guān)系的存在，帶來(lái)了精度的降低，為了保證在整個(gè)范圍內(nèi)滿(mǎn)足精度的要求，所以在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)控制要求對(duì)測(cè)量值進(jìn)行誤差修正，修正一般通過(guò)軟件較準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。其具體的修正方法應(yīng)根據(jù)信號(hào)的工作區(qū)段和質(zhì)量要求來(lái)確定。利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制能力對(duì)非線性關(guān)系找出修正算法，并在反復(fù)測(cè)試調(diào)整后使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)采用分段線性插值法對(duì)測(cè)量值的曲線進(jìn)行了誤差修正處理。方法為：將0～XMAX分為若干工作區(qū)段，每段曲線用一段對(duì)應(yīng)的折線來(lái)代替，對(duì)每段折線可求出VQ：

N t : VQ = ai×N t+bi （8）

式中，I—某段折線的序號(hào)；ai—該段折線的斜率；bi—該段折線的截距。

它們的修正程序流程圖如圖7所示，處理關(guān)系示意曲線如圖8所示。

預(yù)先將每段的之值存于單片機(jī)中，在不同的工作區(qū)段，單片機(jī)自動(dòng)地將對(duì)應(yīng)的每段的上述值調(diào)出進(jìn)行運(yùn)算處理。（限于篇幅，定量的分析沒(méi)有討論）

五、結(jié)束語(yǔ)

本文描述的是一種通用的高精度壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它有許多優(yōu)點(diǎn)，可在各種惡劣的環(huán)境中正常地工作，而且抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、分辨率高。采用液晶顯示及PS/2鍵盤(pán)接口，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交換。可廣泛地應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、紡織、輕工、水利等工業(yè)及科研領(lǐng)域的壓力數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)與分析。