多路可編程壓力傳感器自動調校系統硬件設計

郭昊慶，胡景春，寧金躍

（南昌航空大學 研究生學院，江西 南昌 330063）

在汽車制造業和工業控制領域，壓力傳感器應用廣泛，對壓力傳感器的精度有比較高的要求。集成相對壓力傳感器MLX90807和集成絕對壓力傳感器MLX90808是Melexis公司生產的可編程壓力傳感器，對這種壓力傳感器的標定至少要進行3個溫度點和2個壓力點的調理補償，通過連接Melexis公司的PTC04編程器將標定數據寫入傳感器的存儲芯片中，使該壓力傳感器的電壓輸出能精確反映其工作場所壓力的變化。以前對該系列壓力傳感器的標定采用人工操作，在操作過程中要對需校準的壓力傳感器的工作容器的溫度和壓力進行控制，工序繁雜，同時會給調理補償過程帶來人為干擾和誤差，影響壓力傳感器的校準精度[1]。根據 MLX90807、MLX90808對標定過程和環境的要求，研制了基于PCI總線的多路壓力傳感器調校系統，以代替人工操作。系統框圖如圖1所示。

工控機通過PCI總線插卡測量工作容器的壓力和溫度，同時根據反饋信號控制工作容器內部的壓力和溫度，以滿足壓力傳感器的調理補償要求。系統硬件由工控機、PCI插卡、信號屏蔽盒、工作容器和PTC04模塊組成。

工控機對目標壓力點和溫度點進行數據采集后，將數據分析處理，得到參數后，PTC04模塊將各參數寫入壓力傳感器的存儲單元，實現對壓力傳感器MLX90807、MLX90808的標定。

微機通過壓力、溫度測控插卡實現對工作容器溫度、壓力的測量，控制增壓閥、減壓閥、電熱器和風扇。閥門和電熱器的控制用于使容器達到目標壓力點和目標溫度點，風扇用于均恒工作容器內部溫度。

PCI插卡的硬件主要由PCI總線接口模塊、溫度和壓力測量模塊(A/D)、PWM溫度控制模塊、可調閥門控制模塊(D/A)、開關量控制模塊5部分組成。工作容器的測控結構如圖2所示，PCI插卡完成對圖中各數字量和模擬量的測量和控制。為了使壓力控制更加精確，設計了D/A轉換電路,產生4～20 mA電流信號控制可調閥門。

1 PCI總線接口設計

測量信號和控制信號通過PCI總線與工控機實現信號交互。系統采用國產PCI接口芯片CH365實現接口功能。

圖2 工作容器測量信號和控制信號框圖

CH365是一種連接PCI總線的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存儲器映射、擴展ROM以及中斷，CH365將32位高速PCI總線轉換為8位主動并行接口，性價比高，它與PCI總線的連接方式如圖3所示[2]。

PCI_AD[0～31]為地址和雙向數據復用信號線；PCI_CBE[0～3]為總線命令和字節使能復用信號線；PCI_PAR為三態雙向奇偶校驗信號線；PCI_IDSEL為初始化設備選擇信號線，高電平有效；PCI_FRAME為幀周期開始信號線，低電平有效；PCI_IRDY為發起設備準備信號線，低電平有效；PCI_TRDY為目標設備準備信號線，低電平有效；PCI_DEVSEL為目標設備選中信號線，低電平有效；PCI_INTA為中斷請求信號線，低電平有效；PCI_CLK為系統時鐘信號線，上升沿有效；PCI_RST為系統復位信號線，低電平有效。

CH365的8位主動并行口與8255相連，通過8255擴展的并行口來控制A/D轉換、與單片機89C2051通信、讀取工作容器內部壓力值和控制固態繼電器進行溫度控制；74LS373與CH365相連，用來控制8個繼電器的通斷，產生工作容器門控、風扇起停等一些開關量的控制信號。

2 溫度和壓力測量模塊

2.1 三線制熱電阻測溫電路

采用熱電阻測量工作容器的溫度。熱電阻是一種電阻值隨環境溫度變化的溫度傳感器，通過A/D轉換測得電壓值，得出電阻大小，查表得到對應溫度值。為了去除連接導線所具有的線路電阻對測量結果的影響，采用恒壓三線制測量電路，如圖4所示。

圖4 三線制熱電阻測量溫度電路圖

圖中Rt是熱電阻，R是導線的等效電阻，VR是+12 V參考電壓，A/D轉換芯片采用ADS7805，β是測溫電壓信號通過放大電路所放大的倍數。通過模擬開關MAX309選通連接V1或V2點，分別測得V1和V2的電壓值。

由歐姆定律：

熱電阻阻值為：

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

用ADS7805測得 V1和V2，即可計算出熱電阻 Rt的阻值，得到工作容器溫度。

2.2 壓力測量電路

工作容器中壓力傳感器信號是微弱的模擬信號，通過放大電路后，送至A/D轉換模塊。A/D轉換模塊采用美國Burr-Brown公司生產的16位模數轉換芯片ADS7805。ADS7805是逐次逼近式A/D轉換芯片，內部帶有采樣、保持、電壓基準和時鐘電路，最高采樣頻率達100 kHz，采樣結果全16位并行輸出，采用+5 V供電，輸入模擬量范圍為-10 V～+10 V，穩定性好。具體電路如圖5所示。

圖5 A/D轉換電路示意圖

3 PWM溫控模塊

采用PWM方式控制固態繼電器JGX-5F實現加熱控制。PWM控制就是使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。在PWM信號中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值，按一定比例系數改變各脈沖寬度即可，即通過改變PWM波的占空比，使固態繼電器對溫度進行控制[3]。PWM溫控模塊電路如圖6所示。

圖6 PWM溫控模塊示意圖

采用89C2051單片機產生PWM信號[4]。89C2051的P3.2口接8255的PC1口，用于接收中斷信號；89C2051的P1口連接8255的PA口，外部中斷產生后，接收由PCI總線發給8255的操作類型碼和PWM控制數據；P3.3口輸出PWM信號，經過整形電路發送至固態繼電器，對工作容器的溫度進行控制。

4 可調閥門D/A控制電路

為了提高工作容器內部壓力調節的精度，設計了可調閥門控制電路。采用TLC5617芯片進行D/A轉換，輸出2路4～20 mA電流，分別對可調增壓閥和可調減壓閥進行控制。具體電路如圖7所示。

圖7 D/A轉換控制模塊示意圖

TLC5617是雙端10位串行D/A芯片，內有2路10位CMOS電壓輸出DAC，+5 V供電，具有上電復位功能，功耗低。采用MC1403給TLC5617提供2.5 V參考電壓，89C2051收到中斷信號后，讀取操作類型碼，判斷后進入D/A模式，將讀取的數據以串行模式經P3.7口發送至TLC5617的DIN腳。TLC5617的片選端CS和串行時鐘端SCLK分別連接89C2051的P3.4和P3.5口，用來控制D/A轉換的時序。D/A轉換完成后，TLC5617的OUTA和OUTB端輸出2路0～5 V電壓信號，經雙運放LM358和NPN三極管組成的V/I電路，將電壓信號轉換成4～20 mA電流信號，用以控制2路壓力調節閥。

5 開關量控制模塊

該控制模塊共有8路開關量控制信號，用于一些開關量控制，同時增加了系統的可擴展功能。風扇的開關量控制用于配合加熱模塊使工作容器恒溫，門控信號用于控制工作容器的開關,另外還提供了儲氣罐、真空罐等開關量控制信號。采用8D鎖存器芯片74LS373與CH365的8位并行口相連，用CH365的A13進行鎖存控制，可以控制8個繼電器通斷，產生8路開關量控制信號。

硬件調試表明,系統各模塊均能正常工作，滿足MLX90807、MLX90808調理補償的要求。通過聯合測試軟件進行預調試，工作穩定可靠，已開始用于壓力傳感器的自動調理補償及標定。

[1]胡景春,葉水生,江澤濤.Windows環境下的熱敏傳感器開關特性測量系統[J].儀表技術與傳感器,2003(5):20-22.

[2]許少倫,梁燕.基于 PCI的汽車線束檢測系統[J].儀表技術與傳感器,2008(10):78-79.

[3]曹毅,姜戎.基于單片機的小型自控飛艇舵控系統系統設計[J].電子技術應用，2007,33(2):13-15.

[4]張萌,和湘,姜斌.單片機應用系統開發實例[M].北京:清華大學出版社,2007.

[5]于洋,張永良.基于以太網的智能過程控制儀表的設計[J].電子技術應用，2005,31(12)：29-30.