一种高精度大量程气压控制方法在Mems芯片标定中应用

顾金国 许晓峰 王露露

（1.南京英锐创电子科技有限公司 江苏省南京市 210032 2.江苏省南通工贸技师学院 江苏省南通市 226010）

（3.南京国博电子 江苏省南京市 211106）

1 引言

目前常见的气压控制设备有Druck PACE5000/6000；mensor CPC4000 或者CPC9000；Fluke 也有相应的产品，气压控制器的通用优点是控制精度高，控制速度快，量程可定制化。缺点是定制化量程周期长，价格高，维护成本高。目前市场上的气压控制器普遍存在控制精度不够高，导致气压不够稳定的问题。针对目前市场上普遍压力控制不准主要存在如下几种原因：

（1）压力传感器选型一般使用价格低廉低速低精度传感器；

（2）气体执行机构很多采用成品比例阀或者采用多组普通电磁阀控制；

（3）控制算法上比较粗糙、没有精细化算法调节。

本发明充分调研目前市场上产品存在的诸多问题，进行了全新设计，解决了控制精度及相应速度关键技术问题。在实际使用中创造了很好的效益。

2 核心气路原理

图1所示为高精度大量程气压控制方案，能防止阻尼振荡和上冲，即使设定了大的压力值时也能在短时间内变化到稳定状态，不论设定压力值为多少都能使从初始状态到达到稳定状态所需的时间一致。本装置包括：HDMI/串口通讯（1）高精度大量程压力传感器（2）缓冲限制部（3），气动执行机构（4）。通过HDMI/串口通讯（1）设定压力值，MCU通过高校PID 脉冲算法控制气动执行机构（4）进行高速充放气动作，压力传感器（2）实时反馈缓冲限制部（3）输出至外部压力容器压力值，从而实现有效高精度闭环控制。针对高压气动执行机构为了克服市场上小流量高压高频购买难度，才在本发明方案实施时采用二级压力缓冲方式，满足了低压高频阀高精度控制气压功能。

图1：高精度大量程气压控制方案

3 系统结构框图

本系统实现原理：

图2所示被测传感器至于被测压力容器中，通过HDMI/通讯接口设置目标压力，MCU 得到输入指令后控制气动执行机构给被测压力容器充气，高精度压力传感器实时监测被测压力容器压力经高速高精度A/D 采样，其采样结果输送到MCU 端，MCU 根据目标值与采样值的大小运用高效PID脉冲控制算法控制气动执行机构，从而完成有效的闭环控制。

图2：系统实现原理

本发明实现了2 种气压执行机构，均很好的完成了图3气动执行机构【1】普通电磁阀与低压高频阀结合方案；图4 气动执行机构【2】采用定制高压高频阀(全球极个别高压高频产家)完成简易高精度压力控制装置。

图3：气动执行机构【1】

图4：气动执行机构【2】

4 气动执行机构【1】普通电磁阀&低压高频阀结合方案

气压控制器中包含3 路普通阀门，2 路高频阀门。除此之外，还有3 路气压表，作为待控制气压的基准。气压基准有两种，放在气源侧的是低精度压力表，给出的压力只需要大致满足需求压力即可。高精度的压力表是设置气压的衡量表，即调控的气压要以此表作为基准。

高频阀门的作用在于待控制气压接近设置气压时，可以通过快速的通断来细调气压流量。普通阀门主要作用在于预先设置气压环境。

例如，设置气压为300kPa，气源气压为800kPa 的时候，直接去调控高频阀门，每次的进气量受气压差的影响，难以控制精准。为了减少算法复杂度，决定采用预调气压的方式，调整普通阀，使得高频阀A 的进气端只比设置气压稍微高一点。同理，当气压需要下调的时候，也是需要设置普通阀B，使高频阀B 后端能够有个比设置气压稍低的气压。

缓冲罐的作用在于平缓气压的波动，当高频阀动作的时候，进气或者泄气会导致气压迅速波动，此时在高精度上表现会出现突变的情况，如果有缓冲气罐，则能够大大平抑波动，得到更为准确的结果。

普通阀C 则是用于需要控制真空的时候使用的，即打开普通阀C 能够控制待控压容器的气压低于绝压100kPa。

基本的控制流程可以总结如下：当用户设定好压力时，控制板调整普通阀A，使得缓冲罐A 达到比待控制压力稍微高一点的压力。此时打开高频阀A 不断的对待控气压容器进行充气。达到预定气压以后，通过不断的调节高频阀A和B，使得容器中气量不足则充气，气量过多则放气，在动态调整的过程中保证容器达到期望的压力值。在这个过程中，缓冲罐C 也一直要保持比待控制压力稍微低一点的压力，使得放气过程也是可控的。

5 气动执行机构【2】采用定制高压高频阀(全球极个别高压高频产家)完成简易高精度压力控制装置

本气压控制组件中包含2 路普通大流量电池阀A+B+、2 路高频阀AB、高精度传感器、缓冲气罐组成。其中普通大流量电池阀A+B+完成气压的初调，高频阀AB 在初调完成后关闭普通阀，其在高精度压力传感器实时采集被测压力容器压力运用高效脉冲PID 算法实现高精度压力闭环控制。

气源控制组件选型如表1所示。

表1：气源控制组件选型

6 电气原理图描述

6.1 硬件需求

（1）UART/RS232：配合传感器以及压力表，需要2 路。

（2）USB 接口：1 路。

（3）ADC 接口：3 路。

（4）阀门控制：5 路，采用IO 口+大电流驱动实现。

（5）处理器指标：Arm Cortex M3。

（6）电源：供给压力表，12V 的气压阀，24V 的气压阀，3.3V 供给MCU。

6.2 供电模块

如图5，供电采用DC-DC 从24V 降压到12V 工作，因为12V 后级接了感性的继电器，因此加了D201 作为开关切换后的回留通路。

6.3 低精度压力表采集模块

图6所示低精度的压力表采集模块主要应用于前级气压测量。因为对精度要求不高，直接采用MCU 的ADC 进行采集即可。本设计中提供三个通路到MCU。考虑到多数模拟的压力变送器电压较高，输出电压一般在0.5V– 4.5V；因此采用分压的方式进行采集。

图6：低精度的压力表采集模块

在软件处理的时候进行简要的校准，把电阻分压的精度值补偿回来。

6.4 普通阀门控制模块&高频阀门控制模块（24V）

图7所示普通阀门控制采用了大电流芯片ULN2003A。

图7：大电流芯片ULN2003A

提供了6 路气压阀的控制能力，图示中给出一路的原理图。

图8所示高频控制阀门采用24V 的气压阀，因为只设计两路，因此直接采用MOS 管驱动即可。高频阀采用线圈驱动结构，D400 作为续流二极管抑制线圈动作过程中的反向高压产生，提高系统稳定度。

图8：高频控制阀门采用24V 的气压阀

6.5 高精度压力表ADC采样：ADS1256IDBR&ADR4525

图9 功能描述：

图9：功能描述

ADR4525 高精度、低功耗、低噪声基准电压源，最大初始误差为±0.02%，并具有出色的温度稳定性和低输出噪声，作为ADS1256 基准源为其高精度的ADC 采样提供有效保证。

ADS1256 是极低噪声的24 位模数(A/D)转换器。它们为最苛刻的应用提供了完整的高分辨率测量解决方案。该转换器由一个四阶Δ-Σ(ΔΣ)调制器和一个可编程数字滤波器组成。灵活的输入多路复用器处理差分或单端信号，并包括用于验证连接到输入的外部传感器的完整性的电路。可选的输入缓冲器大大增加了输入阻抗，低噪声可编程增益放大器(PGA)以二进制步进提供从1 到64 的增益；可编程滤波器允许用户在高达23 位无噪声的分辨率。

6.6 主控MCU STM32F105RBT6

STM32F105RBT6 性能指标：是一款32 位微控制器单元，具有两个12 位模数转换器，四个通用16 位定时器和一个PWM 定时器，以及标准和高级通信接口，多达两个I2C，三个SPI 和两个I2S，五个USART，一个USB OTG FS 和两个CAN.它集成了72MHz 高性能ARM®Cortex®-M3 32 位RISC 内核，高速嵌入式存储器以及连接至两条APB总线的多种增强型I/O 和外设。

（1）POR，PDR 与可编程电压检测器。

（2）低功耗-休眠，停止与待机模式，VBAT 电源用于RTC 与备份寄存器。

（3）时钟，复位与电源管理。

（4）12 通道DMA 控制器、调试模式-串行线调试(SWD)与JTAG 接口。

（5）Cortex®-M3 嵌入式trace Macrocell、2 个看门狗定时器。

（6）SysTick 定时器-24 位倒计数器、CRC 计算单元，96 位独特ID。

7 实现技术指标参数

7.1 性能指标

（1）压力测量极值：绝压1000kPa。

（2）压力介质：干净，干燥，无油的非腐蚀性气体，气源压力要求大于所输出压力的10%左右，推荐使用干燥的压缩空气或氮气。

（3）标准精度：0.07% Rdg + 0.04% FS。

（4）控制稳定度：优于0.07% FS。

（5）长期稳定性：200kPa 以上量程为0.01%RD/年，100kPa 为0.02%RD/年，100kPa 以下为0.03%Rdg/年。

7.2 电气特性

（1）供电范围：180V AC ～260V AC @ 47 ～63Hz。通用电源输入IEC320 C14。

（2）VFC 触点承受电压：30V d.c.1 Amp 电阻/200mA电感。

7.3 通讯接口

（1）RS232，USB 和IEEE-488 端口，SCPI 通讯或仿真通讯 (DPI520，DPI500)。

（2）DPI510 & DPI515 取决具体型号 Ethernet 以太网口(VXI-II & Sockets 为SCPI 通讯)。

7.4 环境特性

（1）温度：工作温度10°C ～50°C(50°F ～122°F)，校准温度15°C ～45°C(59°F ～113°F)，储存温度-20°C ～70°C(-4°F ～158°F)。

（2）湿度：5% RH ～95% RH 非凝露。

（3）密封性：IP20(EN60529)，设计为室内使用。

（4）振动验证：符合Def.Stan.66-31 8.4 Cat 3 和MILT-28800E Cat 2。

（5）冲击：机械冲击符合EN61010。

8 微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)介绍

一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术，可大量利用IC 生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

沿着系统及产品小型化、智能化、集成化的发展方向，可以预见：MEMS 会给人类社会带来另一次技术革命，它将对21世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响，是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。

9 结论

本发明验证了2 套气路方案，气动执行机构【1】做了二次缓压气路，对于小流量高频电磁阀的要求稍低；气动执行机构【2】气路简单易于工程批量化，经过研发认证及可量产化评估方案【2】最终定型量产。本案在行业应用意义涉及一种MEMS 微电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems)压力传感器全自动标定专用设备高精度压力控制器，该方案公司已经申请发明专利、经过1年多同仁努力研制已在公司IC 自动化标定产线普及应用，降低MEMS 标定自动化实现成本，为祖国芯片国产化添砖加瓦。本验证成果并作为公司衍生产品进行市场化推广，带来了很好的经济效益。