李 純，程靜賢，李 琦

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽621000)

0 引 言

近年來，隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，力測量已經(jīng)深入到科研和工程技術(shù)的各個領(lǐng)域，在工業(yè)現(xiàn)場有大量的測力點需要測量顯示。選擇高性能、具有數(shù)字接口的信號調(diào)理器，將傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行傳輸顯示，解決工控現(xiàn)場干擾的影響，顯得尤為關(guān)鍵。ZMD31050 是一種高集成、高精度橋式傳感器信號處理CMOS 集成電路，將傳感器信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行輸出，且外圍電路簡單，具有能耗低、安全可靠等特點。本文介紹了ZMD31050 在力傳感器測試儀實際應(yīng)用中，對傳感器信號調(diào)理，提高測試儀整體精度。

1 ZMD31050 芯片［1］簡介

ZMD31050 是高精度橋式傳感器信號處理的CMOS 集成電路。該產(chǎn)品提供了傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性的數(shù)字補償，內(nèi)部有一個16 位的RISC 微控制器運行校準公式，校準系數(shù)存放于EEPROM 中。

ZMD31050 工作原理如圖1 所示。

圖1 ZMD31050 工作原理Fig 1 Working principle of ZMD31050

ZMD31050 的信號分為模擬部分和數(shù)字部分。從橋式傳感器出來的信號在PGA 中進行預(yù)放大，MUX將該信號與外部二極管或分立溫度傳感器信號按照某種序列傳送給A/D 轉(zhuǎn)換單元。其后，A/D 轉(zhuǎn)換單元對這些信號進行A/D 轉(zhuǎn)換。在CMC 中對數(shù)字信號進行校正，校正是基于ROM 中存放的校正公式和EEPROM 中存放的校準參數(shù)來進行的。根據(jù)對輸出的配置將傳感器信號以模擬量、數(shù)字量、PWM 的形式輸出，輸出信號由串行接口和FIO1，F(xiàn)IO2提供，數(shù)據(jù)配置和參數(shù)校準可以通過數(shù)字接口SIF 實現(xiàn)。

2 硬件電路設(shè)計

如圖2 所示，測試儀主要由力傳感器、ZMD31050 信號調(diào)理和51 單片機三部分組成。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Structure block diagram of hardware

傳感器電橋部分主要將力信號通過惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為0～20 mV 微電壓信號;ZMD31050 信號調(diào)理部分完成傳感器供電和采集傳感器電壓信號，并通過信號調(diào)理放大為0～5 V電壓信號輸出;51 單片機部分主要實現(xiàn)對ZMD31050芯片編程，接收傳感器信號，并通過濾波、轉(zhuǎn)換、存儲后輸出顯示［3～5］;鍵盤控制部分主要實現(xiàn)傳感器標(biāo)定校準功能。

圖3 給出了基于ZMD31050 的力傳感器測試儀應(yīng)用電路圖。

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序

力傳感器測試儀選用AT89C51 為外部微控制器。通過I2C 串口與ZMD31050 進行數(shù)字通信，讀取傳感器信號并顯示。主程序流程圖如圖4 所示。

程序先對單片機進行初始化，包括端口、計時器等，接著進行鍵盤掃描，判斷是否有鍵盤操作，然后對ZMD31050發(fā)送讀數(shù)指令，等待芯片應(yīng)答后，開始持續(xù)讀取ZMD31050調(diào)理器采集的傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過濾波轉(zhuǎn)換后輸出顯示。

圖3 力傳感器測試儀應(yīng)用電路圖Fig 3 Application circuit diagram of test instrument of force sensor

3.2 傳感器信號修正

設(shè)計中，采用線性插值法［5］擬合曲線，傳感器非線性調(diào)整。根據(jù)傳感器實際，對傳感器測量范圍進行分段標(biāo)定，對應(yīng)的標(biāo)定值與實際值之間求得修正值αn，將αn和計算公式 Y=Yn－1+ αn(Y'n－ Y'n－1)(其中，Y 為理論輸出值;Y'為實際測量值)存入EEPROM。通過對當(dāng)前采集值大小判斷，調(diào)用相應(yīng)的αn修正值和計算公式，很容易得出傳感器修正后的數(shù)值。同時，利用ZMD31050 片內(nèi)溫度傳感器采集環(huán)境溫度，對傳感器當(dāng)前數(shù)據(jù)進行校準輸出。

為了提高測試儀的精度和可靠性，采用限幅濾波和算術(shù)平均濾波［6］對傳感器數(shù)據(jù)采集值進行處理。先經(jīng)過連續(xù)采樣 N 次，得到采樣數(shù)據(jù)(i =1，2，…，N)，對 Xi進行排序，去掉最大值和最小值，得到中間N －2 個數(shù)據(jù)。對這N－2個數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均運算，得到xi，Xn即為當(dāng)前點的采集值，排除了測試儀在工作中產(chǎn)生的極值干擾和偶然干擾。

4 實驗結(jié)果

100 kgf 力傳感器測試儀原始標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 力傳感器原始數(shù)據(jù)Tab 1 Raw data of force sensor

100 kgf 力傳感器測試儀線性修正后標(biāo)定結(jié)果如表2 所示。

5 結(jié) 論

ZMD31050 在100 kgf 力傳感器測試儀的應(yīng)用中，信號修正前，傳感器精度約為0.5%FS，經(jīng)信號修正后，標(biāo)定結(jié)果精度優(yōu)于0.2%FS，精度達到預(yù)期設(shè)計效果，在工程應(yīng)用中，該測試儀工作穩(wěn)定性好。如果要求更高精度，則需要配合其他線性修正方法，并考慮傳感器溫度特性等條件進行調(diào)整。

表2 修正后數(shù)據(jù)Tab 2 Revised data

［1］ ZMD31050.Advanced differential sensor signal conditioner［DB/OL］.［2008-09-04］.http:∥ www.servoflo.com/downloads/zmd31050.pdf.

［2］ 何立民.MCS-51 系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)［M］.1 版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004:36－48.

［3］ 李朝青.單片機原理及接口技術(shù)［M］.3 版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005:76 －80.

［4］ 王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全［M］.2 版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2000:57 －88.

［5］ 段 紅.電子秤非線性自動修正方法［J］.計量技術(shù)，2000(8):35 －36.

［6］ 唐露新.基于非線性誤差修正的智能水質(zhì)檢測儀的研制［J］.計算機測量與控制，2011，19(1):225.