基于自主傳感器信號調(diào)理芯片溫度補償?shù)能浖O(shè)計*

楊　峰，楊　洋，潘　彬，鄧廣真

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068)

基于自主傳感器信號調(diào)理芯片溫度補償?shù)能浖O(shè)計*

楊峰1，2，楊洋3，潘彬3，鄧廣真3

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068)

利用現(xiàn)代信號調(diào)理技術(shù),以自主設(shè)計的信號調(diào)理芯片為核心，采用C#設(shè)計開發(fā)了硅壓阻式傳感器的智能誤差補償校準(zhǔn)軟件,實現(xiàn)了對核心補償芯片的可視化操作與控制，解決了傳統(tǒng)的硬件電路對壓力傳感器進(jìn)行溫度補償?shù)娜秉c。在多個溫度點進(jìn)行校準(zhǔn)獲取補償曲線，得到零點及溫度漂移補償數(shù)據(jù)，解決了硅壓阻式傳感器一致性差、溫度漂移和非線性等問題。系統(tǒng)運行結(jié)果表明:通過使用補償軟件，采用高精度溫度補償算法的傳感器輸出精度有了明顯提高，在-55℃～125℃的溫度范圍內(nèi)輸出的信號與壓力成良好的線性關(guān)系，壓力參數(shù)測量精度達(dá)到了0.6%以內(nèi)。

溫度補償；信號調(diào)理芯片；壓阻式傳感器

0　引言

針對壓阻式壓力傳感器在應(yīng)用中易發(fā)生溫度漂移的問題，開發(fā)了一種智能壓阻式傳感器溫度補償系統(tǒng)。該方法利用現(xiàn)代信號調(diào)理技術(shù)，以信號調(diào)理芯片為核心，通過插值法對采集的溫度補償參數(shù)進(jìn)行擬合，從而實現(xiàn)了對壓阻式壓力傳感器溫度漂移的高精度補償。

在實際應(yīng)用中，大多數(shù)壓力傳感器為集成單臂電橋和差分輸出信號的壓阻式傳感器，這類傳感器具有高靈敏度、高線性度、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是由于硅壓阻傳感器使用的半導(dǎo)體材料——硅的固有特性，使得該傳感器存在一致性差、溫度漂移和非線性等問題[1]，同時由于其擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)較大和制作工藝，使其在寬溫區(qū)的高精度受限[2]。

軟件補償是利用計算機(jī)的強(qiáng)處理能力，通過一系列的補償算法對壓力傳感器因溫度變化所產(chǎn)生的漂移進(jìn)行修正。這種方法不僅可以補償溫度變化對壓力傳感器造成的影響，同時還可改善非線性指標(biāo)，是提高壓力傳感器精度的一種有效方法。與硬件補償相比，軟件補償?shù)男Ч?、精度高且成本低?/p>

1　補償流程及核心算法

1.1傳感器補償流程設(shè)計

本文所設(shè)計的溫度補償系統(tǒng)對壓阻式壓力傳感器的補償分為兩部分：預(yù)補償過程和在溫度預(yù)設(shè)點下的正式補償過程。由于不同的壓阻式壓力傳感器橋路電阻、靈敏度、輸出電壓范圍等參數(shù)存在很大差異，需要使用前在常溫下對壓力傳感器進(jìn)行預(yù)補償，以保證芯片內(nèi)部電路工作在線性及可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)。預(yù)補償流程圖如圖1所示。預(yù)補償過程通常在常溫下進(jìn)行，目的是計算正式補償過程中所需要的各種寄存器的初始化值。在預(yù)補償之后，可以進(jìn)入正式補償流程。

圖1　預(yù)補償流程圖

正式補償流程圖如圖2所示，補償?shù)闹饕獌?nèi)容是求取設(shè)定溫度點的靈敏度補償系數(shù) FSO、偏移量系數(shù)補償系數(shù) OFFSET。

圖2　傳感器在設(shè)定溫度下補償流程

HKA2910可以設(shè)定 1～114個待定補償?shù)臏囟赛c數(shù)。如果只進(jìn)行單點溫度補償，則寫入Flash中不同溫度的補償數(shù)據(jù)都相同。進(jìn)行兩點溫度補償時，則會對不同溫度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合。進(jìn)行三點或三點以上的溫度補償時，軟件會對不同溫度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

1.2補償數(shù)值擬合算法

如果用實驗的方法，在-55℃～+150℃的范圍內(nèi)，把各個溫度下的補償系數(shù)都測出來，將是一項非常耗時且重復(fù)性強(qiáng)的工作，這是沒有必要的。通常情況下，選擇有限的離散溫度點對壓力傳感器進(jìn)行校正，然后記錄這些溫度點上的補償系數(shù)，采用軟件的算法得到在各個溫度點的補償系數(shù)。

采用軟件算法實現(xiàn)離散數(shù)據(jù)的線性化，通常有查表法和插值法。查表法獲得的數(shù)據(jù)的線性度與表數(shù)據(jù)的數(shù)量有關(guān)，數(shù)據(jù)越多則線性度越好，但是數(shù)據(jù)越多所需要占用的存貯空間也越大[3]。

本系統(tǒng)采用插值法對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，線性插值法是一種常用的插值方法。如圖3所示，X為自變量，Y為因變量，它們是非線性關(guān)系。插值法把自變量X分成n個均勻的區(qū)間，每個區(qū)間的端點Xn都對應(yīng)一個Yn。實際的測量值X一定會落在某個區(qū)間(Xn，Xn+1)內(nèi)，設(shè)y= f(x)。可用利用區(qū)間的端點值來求取一次函數(shù)表達(dá)式f(x)的值。

圖3　線性插值法曲線

采用線性插值法，只要區(qū)間分得足夠多，就可以達(dá)到所需的計算精度。

2　軟件介紹

為了配合所設(shè)計的補償流程，本軟件通過C#語言進(jìn)行開發(fā)。利用C#提供的大量可視化控件以及第三方提供的各種強(qiáng)大的控制資源來設(shè)計交互式的操作界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、參數(shù)設(shè)定、傳感器標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理和生成等功能。

2.1主界面

系統(tǒng)的主操作界面如圖4所示，包括工具欄、校準(zhǔn)參數(shù)區(qū)、用戶信息區(qū)和補償初始值區(qū)。

修改校準(zhǔn)參數(shù)中的參數(shù)值，能夠使得校準(zhǔn)結(jié)果的精度發(fā)生改變。溫度點數(shù)越多，絕對誤差越小，則校準(zhǔn)結(jié)果的精度越高。

補償初始值中的數(shù)據(jù)反應(yīng)的是信號調(diào)理芯片中寄存器的值，能夠通過修改界面中的值修改寄存器。

點擊運行按鈕后，界面與芯片產(chǎn)生通信，補償初始值區(qū)獲取到芯片中寄存器的值。設(shè)置校準(zhǔn)參數(shù)后，點擊預(yù)校準(zhǔn)，根據(jù)提示步驟，測量指定壓強(qiáng)下的電壓，獲取預(yù)校準(zhǔn)后各個寄存器的值，之后在所需測試的溫度上進(jìn)行主校準(zhǔn)，獲取多個溫度點上的FSO、Offset寄存器值，由多個不同溫度下 FSO、Offset寄存器值進(jìn)行擬合得出溫度區(qū)間內(nèi)各個溫度點的 FSO、Offset寄存器值，并寫入Flash中，軟件校準(zhǔn)結(jié)束。

圖4　程序主界面

2.2校準(zhǔn)記錄界面

在進(jìn)行主校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)步驟中FSO、Offset寄存器值以及所測量電壓的變化都記錄在校準(zhǔn)記錄界面中，如圖5所示。

圖5　校準(zhǔn)記錄界面

2.3計算擬合曲線界面

此軟件提供兩種擬合方式，一種是將每個溫度點間的寄存器值以直線連接為折線補償，一種是使每個溫度點間的值連接成為一條曲線，如圖6所示。在主校準(zhǔn)完成后默認(rèn)為曲線補償方式。

在軟件應(yīng)用中設(shè)置多個溫度補償點，按照圖2補償流程圖所示進(jìn)行多個溫度下的補償。在所有設(shè)置的溫度點都補償完畢后，系統(tǒng)將自動根據(jù)不同校準(zhǔn)溫度下FSO和OFFSET的值擬合出從-55℃～+150℃范圍內(nèi)的所有補償參數(shù)，并將擬合出的參數(shù)寫入芯片 Flash中。至此，芯片補償電路就可以在規(guī)定溫度范圍內(nèi)對此傳感器進(jìn)行全自動補償。芯片在進(jìn)行補償時會利用片內(nèi)溫度傳感器檢測當(dāng)前環(huán)境溫度，根據(jù)寄存器內(nèi)溫度數(shù)值的變化，芯片會搜尋存儲在內(nèi)部Flash中的對應(yīng)溫度點的補償系數(shù)加載到相應(yīng)的寄存器中，并轉(zhuǎn)換成模擬量來修正傳感器輸出信號中的溫度誤差。

圖6　計算擬合曲線界面

3　結(jié)束語

用C#開發(fā)的硅壓阻式傳感器軟件補償系統(tǒng)改進(jìn)了原有的傳感器補償方法，提高了效率，支持 Windows操作系統(tǒng)運行，人機(jī)界面友好。經(jīng)硬件、軟件調(diào)試后，現(xiàn)場測試穩(wěn)定可靠。通過對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析研究，證明該系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。

利用軟件實現(xiàn)傳感器溫度誤差補償是一種非常簡便、有效的方法。這種方法能夠有效降低測量系統(tǒng)的電路復(fù)雜度，并且節(jié)約成本，無需額外的操作便可以得到可靠的數(shù)據(jù)，適合對批量傳感器進(jìn)行補償，因此具有極其廣泛的應(yīng)用前景。

[1]胡遼林．硅壓阻傳感器的智能溫度補償研究[J]．傳感技術(shù)學(xué)報，2012(4)．

[2]趙妍．基于MAX1452的壓力傳感器溫度補償[J]．電器應(yīng)用，2006(4)．

[3]王俊杰．壓力傳感器高精度溫度補償?shù)能浖崿F(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2014(11)．

[4]張宏濤．關(guān)于壓力傳感器零點熱漂移的補償分析[J]．科技信息，2008(9)．

Design of the temperature compensation software based on self-made transducer signal conditioning chip

Yang Feng1，2，Yang Yang3，Pan Bin3，Deng Guangzhen3
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

The intelligent deviation compensation calibration software of silicon piezoresistive sensor based on independent designed signal conditioning chip,using modern signal processing technology and applying C#developing language is introduced.That realized the visual operation and control of the core compensation chip,and overcame the weakness of compensating the temperature deviation of pressure transducer through hardware circuit.Calibrating at many temperature points and getting the compensating curve to obtain zero and temperature drift compensation data,solved the consistency of silicon piezoresistive sensor,temperature drift and nonlinear problems.The result shows:the system works reliable,the output accuracy of the transducer that applying high precision temperature compensation algorithm improves a lot,the output signal between-55℃ and 125℃ has a good linear relationship with pressure,the measuring accuracy of pressure parameters attains within 0.6%.

temperature compensation；signal conditioning chip；piezoresistive sensor

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.005

航空科學(xué)基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團(tuán)公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-03-08）

楊峰（1980-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計及驗證、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)。

楊洋（1986-），女，碩士，工程師，主要研究方向：應(yīng)用軟件開發(fā)。

潘彬（1986-），男，本科，助理工程師，主要研究方向：集成電路設(shè)計及驗證。

鄧廣真（1988-），女，本科，助理工程師，主要研究方向：數(shù)?；旌霞呻娐肺锢碓O(shè)計。

中文引用格式：楊峰，楊洋，潘彬，等.基于自主傳感器信號調(diào)理芯片溫度補償?shù)能浖O(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42 (5)：18-20.

英文引用格式：Yang Feng，Yang Yang，Pan Bin，et al.Design of the temperature compensation software based on self-made transducer signal conditioning chip[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：18-20.