王永清，饒和昌

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域，壓力傳感器在狀態(tài)監(jiān)測中有著廣泛地應(yīng)用。精確的傳感器信號(hào)能夠很好的還原被測量的狀態(tài)，以利于人們做出正確可靠的決策。由于材料及加工工藝的限制，傳感器直接輸出的信號(hào)不可避免地存在非線性、零點(diǎn)溫度漂移、靈敏度溫度漂移等問題。為此，在實(shí)際使用過程中需要對(duì)這些不確定因素進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得滿足使用要求的信號(hào)。針對(duì)橋式壓力傳感器，選用TI公司的PGA309信號(hào)調(diào)理芯片進(jìn)行外圍硬件電路和軟件算法的設(shè)計(jì)，以補(bǔ)償傳感器非線性輸出及溫度漂移等問題。

1 橋式壓力傳感器

這里考慮的調(diào)理對(duì)象是一種硅壓阻式壓力傳感器，采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋，作為力電變換的測量電路，結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示。R1～R4為應(yīng)變電阻，VEXC為電橋激勵(lì)電壓，Uo為電橋輸出電壓?；菟诡D電橋的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。

根據(jù)電橋的基本特性，當(dāng)外界壓力使R1～R4的電阻發(fā)生改變時(shí)，Uo的值也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變，Uo值的大小反應(yīng)了施加于傳感器上的外部壓力的大小。為了提高傳感器的靈敏度，在電橋設(shè)計(jì)時(shí)，把一對(duì)阻值增大的電阻相對(duì)排布（R2、R3），另一對(duì)阻值減小的電阻相對(duì)排布（R1、R4），如此，電橋的輸出為：

圖1 壓阻式傳感器原理圖Fig.1 Diagram of piezoresistive pressure sensor

簡化后為：

ΔRT是指由于溫度的改變而引起的電阻變化。為簡化分析，認(rèn)為4個(gè)擴(kuò)散電阻起始阻值都相等并為R。式（2）說明，電橋輸出Uo一方面與ΔR/R成正比，另一方面又正比于供電電壓VEXC，即電橋的輸出電壓除了與被測量成正比外，同時(shí)與電橋輸入電壓VEXC的大小和精度有關(guān)[1]。此外，由于半導(dǎo)體的溫度特性，當(dāng)溫度變化時(shí)橋臂阻值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，因此輸出電壓Uo還與溫度有關(guān)。所以，在實(shí)際使用過程中，為了使得輸出信號(hào)盡可能反應(yīng)真實(shí)的壓力信息，需要克服橋式壓力傳感器非線性及溫度漂移的缺點(diǎn)。針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)一種基于PGA309的信號(hào)調(diào)理電路來對(duì)這種橋式壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定和校正。

2 PGA309的功能模塊

PGA309是TI公司的一款可編程的數(shù)字化信號(hào)調(diào)理芯片，主要用于橋式壓力傳感器，將微弱的傳感器信號(hào)進(jìn)行放大輸出。它的內(nèi)部功能框圖如圖 2所示[2]：

PGA309共有三級(jí)信號(hào)放大電路[3]：前置放大器G1用于對(duì)輸入微弱傳感器進(jìn)行放大和噪聲抑制，因此其增益范圍最大為4～128，后級(jí)放大器G3用于驅(qū)動(dòng)輸出增益調(diào)節(jié)范圍為2～9，前置放大器G1和后級(jí)放大器G3的增益為固定的幾個(gè)數(shù)值，通過PGA309內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，為了獲得期望的指定增益倍數(shù)，中間級(jí)G2通過一個(gè)16位的DAC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的精細(xì)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)范圍為0.333 3～1倍。通過三級(jí)放大調(diào)節(jié)，PGA309的最大增益可達(dá)到1 152。考慮到傳感器的零點(diǎn)漂移，PGA309還內(nèi)置了零點(diǎn)漂移校正功能，可以在兩處進(jìn)行調(diào)節(jié)：粗調(diào)在前置放大級(jí)G1以前，精調(diào)在前置放大級(jí)G1之后精細(xì)調(diào)節(jié)G2之前。通過這兩次調(diào)節(jié)完成對(duì)零點(diǎn)漂移的補(bǔ)償。

圖2 PGA309內(nèi)部功能模塊Fig.2 Internal functional modules of PGA309

PGA309內(nèi)部功能模塊工作時(shí)需要一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓，既可以選擇芯片內(nèi)部的參考電壓也可以選擇外部參考電壓。為了盡可能地簡化硬件電路，本設(shè)計(jì)選用內(nèi)部參考電壓VREF（2.5 V或者4.096 V）作為各功能模塊的電壓基準(zhǔn)。電橋激勵(lì)電壓的選擇同樣有兩種方式，可外接獨(dú)立的恒壓源對(duì)其供電，或者使用PGA309提供的VEXC作為激勵(lì)電壓，若要使用PGA309內(nèi)部的線性化功能模塊則必須以VEXC的作為激勵(lì)源。線性化電路通過引入輸出電壓反饋，動(dòng)態(tài)的改變VEXC的大小以達(dá)到線性校正的目的。引腳VIN1和VIN2接電橋的輸出端。

PGA309有兩種數(shù)字接口，一種為單線制UART的編程口（PRG），主要用于對(duì)PGA309內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，波特率為 4.8～38.4 kb/s；另外一種為兩線制（SDA&SCL）I2C 接口，該接口主要用于對(duì)外部EEPROM進(jìn)行存取訪問，EEPROM存放PGA309的配置信息及溫度補(bǔ)償系數(shù)表。PGA309有9個(gè)內(nèi)部寄存器，用于對(duì)其各功能模塊進(jìn)行配置及狀態(tài)的監(jiān)測。上電后，PGA從EEPROM讀取配置信息，之后進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換，根據(jù)轉(zhuǎn)換的溫度值檢索事先標(biāo)定好的溫度補(bǔ)償系數(shù)表，查詢當(dāng)前溫度下的增益精調(diào)和零點(diǎn)精調(diào)值，這樣便完成了一次輸入電壓的放大，此后的每一次信號(hào)的放大都是從溫度采樣開始。

綜上所述，PGA309的主要功能除了進(jìn)行信號(hào)增益放大，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的非線性及溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 PGA309與EEPROM的接口電路

EEPROM用于存儲(chǔ)PGA309寄存器的配置信息和溫度補(bǔ)償系數(shù)表，至少需要8 kbit的存儲(chǔ)空間[3]。設(shè)計(jì)中選用較為常見的24LC16B，這是一個(gè)16 kbit的EEPROM，擁有一個(gè)兩線制的串行通信接口用于與PGA309通信，如圖 3所示[4]。

圖3 EEPROM與PGA309的接口電路Fig.3 Interface circuit of EEPROM and PGA309

3.2 PGA309的串行通信接口電路

對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定時(shí)需要建立計(jì)算機(jī)與PGA309的通信。PGA309與計(jì)算機(jī)的通信有兩種接口模式：單線制PRG口和兩線制I2C接口。由于與外部EEPROM的通信需要用到I2C接口，為了避免總線沖突，設(shè)計(jì)中采用單線制接口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信。由于PGA309的編程口為單線制，而計(jì)算機(jī)上的RS232接口發(fā)送與接收為單獨(dú)的兩路信號(hào)，所以這里需要一個(gè)單線轉(zhuǎn)雙線的通信接口。如圖4所示，74HC04為六反向器用于驅(qū)動(dòng)和隔離收發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單線制與雙線制的通信[5]。

圖4 PGA309與RS232的接口電路Fig.4 Interface circuit of PGA309 and RS232

3.3 溫度接口電路

PGA309的溫度測量即可以利用內(nèi)部的溫度傳感器獲取，也可以利用外接的測溫元件。采用內(nèi)部傳感器進(jìn)行溫度測量時(shí)，將TEMP引腳接地。選用外部傳感器測溫時(shí)，TEMP腳接至RTEMP與電橋的連接點(diǎn)處或直接通過串接一個(gè)二極管進(jìn)行溫度測量。

實(shí)現(xiàn)溫度測量后，利用溫度值進(jìn)行查表，得到預(yù)先標(biāo)定好的分段溫度補(bǔ)償系數(shù)值，用于配置該溫度下零位DAC和增益DAC的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器溫度漂移的補(bǔ)償。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

一個(gè)典型的壓力傳感器測試系統(tǒng)其誤差來源主要包括傳感器零點(diǎn)和靈敏度的漂移、激勵(lì)引起的傳感器非線性輸出以及調(diào)理電路附加的干擾[3]。其中傳感器自身零點(diǎn)和靈敏度隨溫度的漂移及輸出非線性對(duì)整個(gè)測試系統(tǒng)的測量精度影響最大，如不進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償與處理將無法滿足使用要求。對(duì)上述兩大誤差源PGA309通過溫度補(bǔ)償系數(shù)表及線性化電路對(duì)傳感器端輸出信號(hào)進(jìn)行了有效的補(bǔ)償與調(diào)理。

PGA309軟件設(shè)計(jì)的最終目的是為了生成溫度補(bǔ)償系數(shù)表以及合理的內(nèi)部寄存器配置字。為了盡可能地滿足不同傳感器測量范圍，對(duì)PGA309增益的分配及零位的調(diào)節(jié)應(yīng)遵守幾點(diǎn)原則[3]。

1）盡可能使得增益精調(diào)的值接近于中間值（0.667）。

2）盡可能大的選取前端增益值以提高信噪比。

3）通過選取合適的零位粗調(diào)值使得零位精調(diào)的值盡可能接近中間值。

4）零位粗調(diào)功能會(huì)引入額外的噪聲，在調(diào)節(jié)范圍滿足使用要求，同時(shí)希望噪聲最小的情況下，盡可能的將零位粗調(diào)的值設(shè)為最小，以最大限度的限制噪聲。

4.1 傳感器數(shù)學(xué)參考模型

對(duì)于大多數(shù)橋式壓力傳感器而言，輸入壓力與輸出信號(hào)并不是簡單的線性關(guān)系。溫度的變化會(huì)影響傳感器的零點(diǎn)和滿量程點(diǎn)，在溫度不變的情況下激勵(lì)壓力也會(huì)導(dǎo)致明顯的非線性輸出。文獻(xiàn)[6]中提出了一種傳感器的數(shù)學(xué)模型，如式（3）所示。

該數(shù)學(xué)參考模型的計(jì)算值與實(shí)際測量值基本一致，因此基于該參考模型設(shè)計(jì)的補(bǔ)償算法同樣適用于實(shí)際的傳感器。由參考模型數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，為了解算出模型中的參量n0～n6至少需要7組不同溫度壓力下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)合實(shí)際使用需要，按表1測量7組傳感器數(shù)據(jù)[6]。

表1 標(biāo)定數(shù)據(jù)記錄表Tab.1 Table of calibration data

測量所得的數(shù)據(jù)還需要結(jié)合PGA309具體的配置反解出電橋端的輸出值 Kbridge（P，T）。

4.2 線性化校正算法

對(duì)橋式壓力傳感器非線性部分的補(bǔ)償，是通過PGA309線性化模塊實(shí)現(xiàn)的[3]。PGA309線性化模塊僅實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力引起的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)溫度引起的非線性誤差不予考慮。PGA309線性化模塊通過引入一定比例的輸出電壓，動(dòng)態(tài)地改變電橋激勵(lì)電壓的大小，從而使得輸出電壓盡可能與理想線性曲線相吻合。

式中KLIN為線性化系數(shù)，對(duì)于選定了參考電壓范圍的系統(tǒng)，KLIN值的取值大小直接影響電橋的激勵(lì)電壓VEXC。結(jié)合傳感器數(shù)學(xué)參考模型可知，對(duì)于橋式壓力傳感器其非線性最大處位于50%滿量程輸入壓力附近。為此，PGA309線性化模塊的最佳工作點(diǎn)，應(yīng)該配置在使得輸入壓力為滿量程一半時(shí)的輸出值與理想輸出值相等，即使得50%壓力處的輸出非線性誤差趨于零。

式中BV為中間點(diǎn)的誤差值，通過測量輸入分別為0、50%、100%時(shí)的電橋輸出可以求得，進(jìn)而代入式（7）解得線性化系數(shù)KLIN。

4.3 溫度漂移補(bǔ)償算法

PGA309線性化模塊僅消除了激勵(lì)引起非線性誤差，為此還需要對(duì)溫度漂移誤差進(jìn)行補(bǔ)償。PGA309在每次信號(hào)放大前都先進(jìn)行溫度采樣，根據(jù)事先建立的溫度補(bǔ)償表，按照一定的檢索算法查詢與該溫度匹配的零點(diǎn)和增益精調(diào)DAC值，從而使得在不同溫度下PGA309輸出依然滿足期望的輸出范圍。溫度補(bǔ)償算法的核心是建立溫度補(bǔ)償系數(shù)檢索表，為此，首先要建立每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的溫漂曲線。根據(jù)傳感器的數(shù)學(xué)參考模型，當(dāng)輸入壓力P=Pmin時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)電橋的零點(diǎn)漂移曲線，式（8）；當(dāng)P=Pmax時(shí)，對(duì)應(yīng)電橋的靈敏度漂移曲線，式（9）。

由式（8）、（9）及期望的輸出范圍即可解算出所需工作溫度范圍內(nèi)Zero DAC和Gain DAC的值，進(jìn)而采用線性插值算法建立17個(gè)溫度點(diǎn)的補(bǔ)償系數(shù)表[6]。

通過以上幾步的算法的設(shè)計(jì)可以大大提高整個(gè)測量系統(tǒng)的精度，具體算法流程如圖5所示：

5 結(jié)束語

由于材料和制造工藝的限制，傳感器普遍存在著非線性及溫度漂移等問題。本文通過分析橋式壓力傳感器的原理及產(chǎn)生誤差的原因，設(shè)計(jì)一種基于PGA309的信號(hào)調(diào)理電路，詳細(xì)分析了電路的各功能模塊。針對(duì)橋式壓力傳感器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)該理論模型介紹了一種軟件補(bǔ)償算法，并給出了軟件補(bǔ)償算法流程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的非線性及溫度漂移進(jìn)行有效補(bǔ)償。

圖5 PGA309算法流程圖Fig.5 Flow chart of PGA309 algorithm

[1]孫以材.壓力傳感器的設(shè)計(jì)制造與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

[2]Texas Instruments Inc.PGA309 product datasheet[S].USA:Texas Instruments Inc，2003.

[3]Texas instruments Inc.PGA309 User’s Guide[S].USA:Texas Instruments Inc，2005.

[4]龔綠綠.基于PGA309實(shí)現(xiàn)的高精度壓力變送器[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2007.

[5]Joshi H P， Burlacu B， Prabhu M M.Wireless structural health monitoring system design， implementation and validation[R].USA NC State University，2005.

[6]Artkay， Ivanov M， Schffer V.A practical technique for minimizing the number of measurements in sensor signal conditioningcalibration[R].Texas Instruments Inc，2005.