一种基于MSC1211单片机的温度补偿和非线性校准解决方案/

2019-07-07刘珂张颖蕊杨俊磊董伟超

科技资讯 2019年11期

刘珂张颖蕊杨俊磊董伟超

摘要：差压传感器在数据采集过程中常出现温漂以及非线性问题，该文介绍了一种利用MSC1211单片机解决温漂和进行非线性校准的原理及调试的方法，并对采集的数据进行温度补偿和线性校准，实现了数据的高精度采集。传感器采集的数据在处理前后进行分析对比，表明采用的数据处理方案切实有效。

关键词：温度补偿非线性校准高精度数据处理

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）04（b）-0058-03

压阻式传感器在压力传感器中应用广泛。半导体的压阻效应为：半导体材料在某一方向上承受应力时，它的电阻发生显著变化，压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的。半导体材料的输入特性经常表现为一个非线性曲线，在测量量程的中间点附近的测量误差最大。半导体材料的零位和满量程输出本身也存在偏差，并随温度变化输出误差不断变化。为在工程应用中达到高精度测量要求，采取一定的措施对传感器的非线性误差进行修正、对温度漂移误差进行补偿十分必要。

1 传感器工作原理

差压传感器由内置差压传感器和信号调理电路两部分组成，其结构框图如图1所示。内置差压传感器采用硅压阻效应测量原理，由4个等值电阻按特定的配置组成惠斯通电桥，当传感器感受到外界压差变化时，由于压阻效应使电桥桥臂阻值发生变化，在恒定电流的驱动下电桥输出与被测压力成正比的电信号。通过微处理器和温度传感器在-55℃～70℃全温区范围内对传感器输出的零点、灵敏度温度漂移进行补偿，并将传感器感应到的压力差转换成与被测压力成比例的电压信号。然后再经过放大、滤波处理输出0.05VDC～4.96VDC电压信号。

2 非线性校准和温度补偿解决方案

MSC1211系列是TI公司新推出的高集成度混合信号元器件，相比一般8051内核单片机，它具有许多增强功能，具体有微弱信号的多路切换、信号缓冲、PGA可编程增益放大、24位Σ-ΔA/D转换、数字滤波、信号校准以及SPI通信等功能。MSC1211的程序功能中，温度补偿和非线性校准是重要组成部分，其功能直接关系到差压传感器压力测量的精度。

2.1 非线性校准原理及方法

压阻式传感器普遍存一致性问题：由于工艺的关系，即使同一批生产的传感器，其特性也会有较大的随机性。为了保证足够的精度，必须对每个传感器进行非线性校准。

扩散硅差压传感器在某一温度点下，理想的输入输出应为线性关系，即：

式（1）中：

P为被测差压值;

V为传感器输出的电信号;

K为传感器灵敏度系数;

v为传感器零点失调。

但实际上传感器的输入输出特性通常是非线性的，这就需要对其进行修正，尤其是在精度要求较高的情况下更是如此。线性化的方法很多，如插值多项式、最小二乘法等。设计中采用了分段线性插值法，在满足精度要求的同时，程序执行速度更快。其原理是在允许的误差范围内，用多段折线来逼近传感器静态特性曲线，如图2线段AB、BC等所示。

插值点的确定，既可以在整个测量范围平均分布，也可根据实际情况，非线性大的地方插值点密一些，反之可疏一些。一旦插值点确定后，据此即可得到N组测试数据V（i），P（i）（i=0，1，2，…，N-1），将其以表格的形式存入E2PROM中。当单片机从A/D转换器读入一数据V时，首先通过查表可确定V所在的区间V（i）

若VV（N），则根据需要进行线性外推。

2.2 温度补偿原理及方法

在-55℃～70℃温度范围内，使输出达到很好的温度特性，需要进行温度补偿。选择由温度传感器AD590和微处理器MSC1211组成的温度校准电路对差压传感器输出进行零点、灵敏度的温度补偿。

传统的补偿方法通常采用无源网络对传感器的两个端点（零点和满量程）进行补偿，比较粗糙，补偿精度较低。在实际中，采用二维线性差值法有效地克服了传统方法的不足，补偿精度大大提高。假设传感器在每个温度点的静态特性都已线性化，则某温度点未补偿的温度特性可以表示为：

式（3）中：P为被测差压值;

V（t）为传感器在某温度点输出的电信号;

K为传感器灵敏度系数;

v（t）为传感器静态特性曲线在纵轴的截距，即由温度引起的输出增量。

给定m+1个温度点，T（0），T（1），T（2），…，T（m），测出每个温度点下传感器静态曲线与纵轴V的截距v（0），v（1），v（2），…，v（m），如图3所示。

然后将上述数据以表格的形式存入E2PROM中。单片机每测出一组V和T，就查一次表，首先确定温度T的区间T（i）

若TT（m），则根据需要进行线性推导。最后根据式（3）求出。

经过上述方法校准、补偿后，我们研制的压力测量其压力测量精度能达到0.3%，满足功能需求。

2.3 调试方法及数据处理

差压传感器利用内部的温度传感器AD590，将表征温度的电压信号送给内部的ADC，实现温度的测量。微处理器MSC1211通过模数转换获取压力及温度信息并根据插值法对传感器输出分别进行温度校准并换算出当前压力差，根据温度值进行查表，将得到预先标定好的温度补偿系数，该系数线性分段，用于控制零位和满量程的输出。

MSC1211上电复位以后，首先利用温度传感器采样温度值，然后从外部E2PROM的列表中查找相应的温度补偿系数，读取零点和灵敏度系数后，再进行温度补偿和非线性补偿，然后根据量程范围进行量程转换得到当前压力。插值法补偿结果见表2。

传感器理论输出直线方程：U=0.05+0.0491P，见表1。

其中：P為输入压力;U为输出信号。

低温-55℃时，对比补偿前后的曲线见表3、图4。

高温70℃时，对比补偿前后的曲线见表4、图5。

表2记录了某型差压传感器在-55℃～70℃范围内做温度补偿前后的两个压力标定点（5kPa和90kPa）的产品输出，图4和图5表明经过温度补偿后传感器输出精度较之前有了明显提高。

3 结语

差压传感器是将压力信号转化成对应的电信号输出，其温漂和非线性特性作为压力传感器静态特性的重要指标，反映出产品的输出特性。通过MSC1211单片机和温度传感器AD590的结合，有效地解决了在高低温环境的温漂和非线性较大的问题，保证了数据输出的高精度。

参考文献

[1] 朱定国，杨世均，林燕珊.航空测试系统[M].北京：国防工业出版社，1984.

[2] 王化祥.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2005.

[3] MSC1211 Users Guide[Z].Texas Instruments，2002.