基于ZIGBEE的壓力傳感器標定系統(tǒng)的研究

周 靜， 彭琰舉 ， 常 鵬， 張會先， 張 菅

（1.西安石油大學(xué) 井下測控研究所，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué) 陜西 西安 710065）

在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井中，隨鉆測量的信息主要靠泥漿脈沖傳遞[1]，因此，壓力信息的采集就則顯得極為重要。壓力傳感器在使用一段時間后，因為各種原因造成誤差偏大，并且需要校準。壓力傳感器一般采用電橋式電路結(jié)構(gòu)，以提高輸出靈敏度。但一個微應(yīng)變電橋輸出只有2 mV左右，即使在滿載情況下，應(yīng)變片的最大輸出也只20 mV左右[2]，這就要求前置測量放大電路具有高增益、高精度、低噪聲和低漂移等特點，而一般的運放和A/D不具備上述特點，使用內(nèi)置PGA的4.8 kHz、超低噪聲、24位Σ-Δ型的A/D，AD7190則可以較好的解決上述問題。另外傳統(tǒng)的壓力傳感器的標定都是使用手搖式活塞壓力臺，效率低下，人為誤差較大，且比較危險。本系統(tǒng)通過軟件控制自動加壓臺，在不同梯度下對壓力傳感器進行標定，提高了標定效率和精度，且較為安全。

1 整體方案

系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。系統(tǒng)主要由信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、及上位機軟件處理等模塊組成。其中A/D采集模塊，使用內(nèi)置PGA的4.8 kHz、超低噪聲、24位Σ-Δ型的高精度A/D；通訊接口采用通用的RS232串行接口；無線傳輸模塊采用了頻率為2.4 GHZ的ZIGBEE通訊模塊，具有較高的數(shù)據(jù)通訊速率，ZIGBEE具有自組網(wǎng)的能力，對多組網(wǎng)及后續(xù)設(shè)備的升級有很好的擴展性；控制芯片采用了C8051F060，其豐富的硬件資源，使得系統(tǒng)大大簡化；接口模塊采用了PL2303芯片將RS232轉(zhuǎn)換成USB總線，方便與計算機連接；數(shù)據(jù)處理模塊采用了常用的個人PC機，相對一般的MCU在處理數(shù)據(jù)的速度和能力上均有明顯優(yōu)勢。

圖1 壓力傳感器標定系統(tǒng)Fig.1 Pressure sensor calibration system

2 系統(tǒng)原理

最小二乘法是一種在多個學(xué)科領(lǐng)域中獲得廣發(fā)應(yīng)用的數(shù)學(xué)處理方法，可以用來擬合經(jīng)驗公式以及回歸等數(shù)據(jù)處理問題[3]。其原理如下。

設(shè)有t個未知量，則可得如下函數(shù)關(guān)系式，式（1）：

測量數(shù)據(jù) l1，l2…，ln的殘余誤差為：

測量結(jié)果的最可信賴值應(yīng)該在殘余誤差平方和最小的條件下求出，如公式（3）所示：

采用偏微分求極值的方法，對殘余誤差的平方和求偏導(dǎo)，同時讓它等于0。將求導(dǎo)后的公式進行整理得到式（4）。

以上就是最小二乘法的正規(guī)方程，也是最終用來計算的方程。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1）電源電路設(shè)計及實現(xiàn)

如圖2所示，ADP3303屬于ADP330x系列精密低壓差anyCAP?穩(wěn)壓器[4]，采用新穎的架構(gòu)、改良的工藝和新封裝，與傳統(tǒng)LDO相比性能更出色。它采用專利設(shè)計，僅需一個0.47 μF輸出電容便可保持穩(wěn)定。ADP3303在室溫條件下可達到±0.8%的出色精度，溫度、線路和負載調(diào)節(jié)的整體精度為±1.4%。200 mA時，其壓差僅180 mV（典型值）。

圖2 電源電路圖Fig.2 Power supply circuit

ADP3303具有較寬的輸入電壓范圍（3.2～12 V），并提供200 mA以上的負載電流。該器件具有一個錯誤標志，當該器件即將產(chǎn)生失調(diào)時，或者短路、熱過載保護激活時，該錯誤標志會顯示相關(guān)信息。其它特性包括關(guān)斷和可選降噪功能。

2）AD采集電路的設(shè)計及實現(xiàn)

壓力傳感器廣泛的采用壓阻式設(shè)計，壓阻式傳感器是利用半導(dǎo)體的電阻率隨應(yīng)力變化的性質(zhì)制成的半導(dǎo)體器件，它在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝擴散電阻，并將擴散電阻直接作為敏感元件。硅壓阻式壓力傳感器的核心部分是一圓形硅膜片，集成在硅片上的4個等值電阻連成平衡電橋，當被測壓力作用于硅片上時，電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生電壓輸出。外界壓力通過外殼的直接加到傳感硅片上，引起傳感硅片上惠斯通電橋的4個電阻阻值發(fā)生變化。

為了獲得精確的壓力值就必須給AD和傳感器提供高精度的電壓參考源，ADR421為超精密、第二代外加離子注入場效應(yīng)管（XFET）基準電壓源，具有低噪聲、高精度和出色的長期穩(wěn)定特性，采用SOIC和MSOP封裝。利用溫度漂移曲率校正專利技術(shù)和XFET技術(shù)，可以使電壓隨溫度變化的非線性度降至最小。XFET架構(gòu)能夠為帶隙基準電壓源提供出色的精度和熱滯性能。與嵌入式齊納二極管基準電壓源相比，還能以更低的功耗和更小的電源裕量工作。ADR421具有出色的噪聲性能、穩(wěn)定性和精度，非常適合高精密數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換等應(yīng)用。在本系統(tǒng)中為壓力傳感器供電，激勵傳感器將物理信號轉(zhuǎn)換成電信號。

如圖3所示，AD7190提供集成式壓力傳感器解決方案，具有壓力傳感器接口，可以直接連接壓力傳感器，其中AIN+、AIN-是壓力傳感器的輸出端，REF-、REF+為傳感器激勵電壓。為了提高系統(tǒng)精度需在模擬輸入端采用一些濾波器，本系統(tǒng)使用的是低通濾波器。在基準電壓引腳上配置一些電容等外部元件，以滿足電磁屏蔽（EMC）要求[5]。AD7190的DIN、DOUT/RDY、SCLK、/CS、/SYNC 分別于 C8051F060的 P3.0-3.4連接。

圖3 AD采集電路Fig.3 Acquisition circuit

來自壓力傳感器的低電平信號由AD7190的內(nèi)置PGA放大。該PGA經(jīng)過編程，以128的增益工作。AD7190的轉(zhuǎn)換結(jié)果送至微控制器C8051F060，并通過ZIGBEE模塊傳輸至上位機進行儲存和處理。AD7190具有單獨的模擬電源引腳和數(shù)字電源引腳。模擬部分必須采用5 V電源供電。數(shù)字電源獨立于模擬電源，可以為2.7～5.25 V范圍內(nèi)的任意電壓。微控制器采用3.3 V電源。因此，DVDD也采用3.3 V電源供電。這樣就無需外部電平轉(zhuǎn)換，從而可以簡化ADC與微控制器之間的接口。

3）數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計及實現(xiàn)

XBee? &XBee-PRO?802.15.4 OEM無線射頻模塊[6]，具有很強的協(xié)議兼容性，可以很好的匹配ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)，無須額外射頻通訊配置。只需將MCU的UART端口與相對應(yīng)的ZIGBEE模塊的RTS、CTS、GND對應(yīng)連接即可，可以使用標準AT指令配置工作方式，默認波特率為9 600 bps。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的要求和軟硬件模塊劃分，本系統(tǒng)的軟件主要完成數(shù)據(jù)采集、溫度采集、數(shù)據(jù)傳輸、控制加壓程序數(shù)據(jù)處理、最終給出標定報表等相關(guān)參數(shù)。其中數(shù)據(jù)采集，溫度采集，及數(shù)據(jù)傳輸部分由下位機完成。信息的顯示及處理有上位PC進行處理。MCU運行后首先對系統(tǒng)進行初始化操作，其中初始化包含，晶振初始化，端口初始化，通訊初始化等；然后啟動溫度采集及數(shù)據(jù)采集，待到數(shù)據(jù)達到傳輸要求時，進行數(shù)據(jù)傳輸；在上位機得到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果時開始對數(shù)據(jù)進行分組處理，最后使用最小二乘法對數(shù)據(jù)曲線進行擬合，最終得出軟件設(shè)計流程；上位機軟件流程圖如圖4所示，下位機軟件如圖5所示。

圖4 上位機軟件Fig.4 Host computer software

圖5 下位機軟件Fig.5 Lower computer software

5 試驗數(shù)據(jù)及分析

1）P=f（T，V），在室溫下可以忽略 T 的影響，即 P=kv+b，其中K為標定系數(shù)，b為起始基準；

2）試驗數(shù)據(jù)處理擬合公式：

由3組正反行程測得的數(shù)據(jù)進行繪圖如圖6所示，每一臺階都是對同一個壓力點進行多次采樣獲得，臺階的“橫線”為測試值的平均值，求取平均值可以去除一定的干擾且可以接近真實值。鑒于測試數(shù)據(jù)量較大，此處以圖表的形式直觀而形象的表征壓力傳感器標定的方法及過程。從圖6中可以看出，量化臺階并非是直線，這就說明在傳輸?shù)倪^程中有高頻信號的干擾，可以使用數(shù)字濾波的方法是測試的值較為準確的接近真實值。

圖6 壓力傳感器臺階試壓曲線Fig.6 Pressure sensor steps pressure curve

如圖6所示，橫軸為采樣點數(shù)，即相對時間，縱軸為壓力量化臺階值（壓力信號轉(zhuǎn)化成的數(shù)字量）。每一個臺階都包含相同壓力下采樣的大量數(shù)據(jù)。壓力傳感器標定試驗，在一定的時間間隔內(nèi)從低壓加開開始加壓至高壓，然后逐步按照等間隔時間泄壓，反復(fù)行程3次，通過滑動平均值求出其穩(wěn)定值。最終進行最小二乘法數(shù)據(jù)擬合。得出相關(guān)壓力參數(shù)。使用時用式（1）～（5）變換即可得出實際壓力值。

6 結(jié) 論

該壓力標定系統(tǒng)通過現(xiàn)場實驗的測試，具有穩(wěn)定、高效、可靠等特點，通過多次實驗驗證了該系統(tǒng)的精度和準確性，達到了設(shè)計要求，可以滿足工程測量及標定要求。同時為后續(xù)系統(tǒng)升級擴展提供了理論和硬件基礎(chǔ)。

[1]丁永浩，李舟波，馬宏宇.隨鉆測井技術(shù)的發(fā)展[J].世界地質(zhì)，2004（3）：270-274.DING Yong-hao，LI Zhou-bo，MA Hong-yu.Development of logging while drilling technology [J].World Geologry，2004（3）：270-274.

[2]周靜，田文鶴.一種壓力傳感器信號調(diào)理模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（7）：116-117.ZHOU Jing，TIAN Wen-he.Design and implementation of a pressure sensor signal conditioning module[J].Electric Age，2010（7）：116-117.

[3]向軍文.最小二乘法在定向鉆進中的數(shù)據(jù)擬合[J].石油鉆采工藝，2010（6）：17-19.XIANG Jun-wen.Data fitting with least square in directional drilling[J].Oil Drilling&Production Technology，2010（6）：17-19.

[4]Analog Devices， Inc.ADP3303 Datasheet[EB/OL].（2011）.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADP 3303.pdf.

[5]馬永健.EMC設(shè)計工程實務(wù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2008.

[6]Digi：XBee?.Multipoint RF Modules Datasheet[EB/OL].http://www.digi.com.