多路可编程压力传感器自动调校系统硬件设计

郭昊庆，胡景春，宁金跃

（南昌航空大学 研究生学院，江西 南昌 330063）

在汽车制造业和工业控制领域，压力传感器应用广泛，对压力传感器的精度有比较高的要求。集成相对压力传感器MLX90807和集成绝对压力传感器MLX90808是Melexis公司生产的可编程压力传感器，对这种压力传感器的标定至少要进行3个温度点和2个压力点的调理补偿，通过连接Melexis公司的PTC04编程器将标定数据写入传感器的存储芯片中，使该压力传感器的电压输出能精确反映其工作场所压力的变化。以前对该系列压力传感器的标定采用人工操作，在操作过程中要对需校准的压力传感器的工作容器的温度和压力进行控制，工序繁杂，同时会给调理补偿过程带来人为干扰和误差，影响压力传感器的校准精度[1]。根据 MLX90807、MLX90808对标定过程和环境的要求，研制了基于PCI总线的多路压力传感器调校系统，以代替人工操作。系统框图如图1所示。

工控机通过PCI总线插卡测量工作容器的压力和温度，同时根据反馈信号控制工作容器内部的压力和温度，以满足压力传感器的调理补偿要求。系统硬件由工控机、PCI插卡、信号屏蔽盒、工作容器和PTC04模块组成。

工控机对目标压力点和温度点进行数据采集后，将数据分析处理，得到参数后，PTC04模块将各参数写入压力传感器的存储单元，实现对压力传感器MLX90807、MLX90808的标定。

微机通过压力、温度测控插卡实现对工作容器温度、压力的测量，控制增压阀、减压阀、电热器和风扇。阀门和电热器的控制用于使容器达到目标压力点和目标温度点，风扇用于均恒工作容器内部温度。

PCI插卡的硬件主要由PCI总线接口模块、温度和压力测量模块(A/D)、PWM温度控制模块、可调阀门控制模块(D/A)、开关量控制模块5部分组成。工作容器的测控结构如图2所示，PCI插卡完成对图中各数字量和模拟量的测量和控制。为了使压力控制更加精确，设计了D/A转换电路,产生4～20 mA电流信号控制可调阀门。

1 PCI总线接口设计

测量信号和控制信号通过PCI总线与工控机实现信号交互。系统采用国产PCI接口芯片CH365实现接口功能。

图2 工作容器测量信号和控制信号框图

CH365是一种连接PCI总线的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存储器映射、扩展ROM以及中断，CH365将32位高速PCI总线转换为8位主动并行接口，性价比高，它与PCI总线的连接方式如图3所示[2]。

PCI_AD[0～31]为地址和双向数据复用信号线；PCI_CBE[0～3]为总线命令和字节使能复用信号线；PCI_PAR为三态双向奇偶校验信号线；PCI_IDSEL为初始化设备选择信号线，高电平有效；PCI_FRAME为帧周期开始信号线，低电平有效；PCI_IRDY为发起设备准备信号线，低电平有效；PCI_TRDY为目标设备准备信号线，低电平有效；PCI_DEVSEL为目标设备选中信号线，低电平有效；PCI_INTA为中断请求信号线，低电平有效；PCI_CLK为系统时钟信号线，上升沿有效；PCI_RST为系统复位信号线，低电平有效。

CH365的8位主动并行口与8255相连，通过8255扩展的并行口来控制A/D转换、与单片机89C2051通信、读取工作容器内部压力值和控制固态继电器进行温度控制；74LS373与CH365相连，用来控制8个继电器的通断，产生工作容器门控、风扇起停等一些开关量的控制信号。

2 温度和压力测量模块

2.1 三线制热电阻测温电路

采用热电阻测量工作容器的温度。热电阻是一种电阻值随环境温度变化的温度传感器，通过A/D转换测得电压值，得出电阻大小，查表得到对应温度值。为了去除连接导线所具有的线路电阻对测量结果的影响，采用恒压三线制测量电路，如图4所示。

图4 三线制热电阻测量温度电路图

图中Rt是热电阻，R是导线的等效电阻，VR是+12 V参考电压，A/D转换芯片采用ADS7805，β是测温电压信号通过放大电路所放大的倍数。通过模拟开关MAX309选通连接V1或V2点，分别测得V1和V2的电压值。

由欧姆定律：

热电阻阻值为：

Rt=Rv(2V1-V2)/(VR-V2)

用ADS7805测得 V1和V2，即可计算出热电阻 Rt的阻值，得到工作容器温度。

2.2 压力测量电路

工作容器中压力传感器信号是微弱的模拟信号，通过放大电路后，送至A/D转换模块。A/D转换模块采用美国Burr-Brown公司生产的16位模数转换芯片ADS7805。ADS7805是逐次逼近式A/D转换芯片，内部带有采样、保持、电压基准和时钟电路，最高采样频率达100 kHz，采样结果全16位并行输出，采用+5 V供电，输入模拟量范围为-10 V～+10 V，稳定性好。具体电路如图5所示。

图5 A/D转换电路示意图

3 PWM温控模块

采用PWM方式控制固态继电器JGX-5F实现加热控制。PWM控制就是使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。在PWM信号中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值，按一定比例系数改变各脉冲宽度即可，即通过改变PWM波的占空比，使固态继电器对温度进行控制[3]。PWM温控模块电路如图6所示。

图6 PWM温控模块示意图

采用89C2051单片机产生PWM信号[4]。89C2051的P3.2口接8255的PC1口，用于接收中断信号；89C2051的P1口连接8255的PA口，外部中断产生后，接收由PCI总线发给8255的操作类型码和PWM控制数据；P3.3口输出PWM信号，经过整形电路发送至固态继电器，对工作容器的温度进行控制。

4 可调阀门D/A控制电路

为了提高工作容器内部压力调节的精度，设计了可调阀门控制电路。采用TLC5617芯片进行D/A转换，输出2路4～20 mA电流，分别对可调增压阀和可调减压阀进行控制。具体电路如图7所示。

图7 D/A转换控制模块示意图

TLC5617是双端10位串行D/A芯片，内有2路10位CMOS电压输出DAC，+5 V供电，具有上电复位功能，功耗低。采用MC1403给TLC5617提供2.5 V参考电压，89C2051收到中断信号后，读取操作类型码，判断后进入D/A模式，将读取的数据以串行模式经P3.7口发送至TLC5617的DIN脚。TLC5617的片选端CS和串行时钟端SCLK分别连接89C2051的P3.4和P3.5口，用来控制D/A转换的时序。D/A转换完成后，TLC5617的OUTA和OUTB端输出2路0～5 V电压信号，经双运放LM358和NPN三极管组成的V/I电路，将电压信号转换成4～20 mA电流信号，用以控制2路压力调节阀。

5 开关量控制模块

该控制模块共有8路开关量控制信号，用于一些开关量控制，同时增加了系统的可扩展功能。风扇的开关量控制用于配合加热模块使工作容器恒温，门控信号用于控制工作容器的开关,另外还提供了储气罐、真空罐等开关量控制信号。采用8D锁存器芯片74LS373与CH365的8位并行口相连，用CH365的A13进行锁存控制，可以控制8个继电器通断，产生8路开关量控制信号。

硬件调试表明,系统各模块均能正常工作，满足MLX90807、MLX90808调理补偿的要求。通过联合测试软件进行预调试，工作稳定可靠，已开始用于压力传感器的自动调理补偿及标定。

[1]胡景春,叶水生,江泽涛.Windows环境下的热敏传感器开关特性测量系统[J].仪表技术与传感器,2003(5):20-22.

[2]许少伦,梁燕.基于 PCI的汽车线束检测系统[J].仪表技术与传感器,2008(10):78-79.

[3]曹毅,姜戎.基于单片机的小型自控飞艇舵控系统系统设计[J].电子技术应用，2007,33(2):13-15.

[4]张萌,和湘,姜斌.单片机应用系统开发实例[M].北京:清华大学出版社,2007.

[5]于洋,张永良.基于以太网的智能过程控制仪表的设计[J].电子技术应用，2005,31(12)：29-30.