ZSC31015在智能應變式傳感器中的應用

Application of ZSC31015 in Smart Strain Sensor

繆曉中1　彭　力2

(無錫職業技術學院1，江蘇 無錫　214121；江南大學物聯網工程學院2，江蘇 無錫　214121)

ZSC31015在智能應變式傳感器中的應用

Application of ZSC31015 in Smart Strain Sensor

繆曉中1彭力2

(無錫職業技術學院1，江蘇 無錫214121；江南大學物聯網工程學院2，江蘇 無錫214121)

摘要：針對壓阻式傳感器存在的溫度漂移誤差和輸出信號非線性誤差，提出采用ZSC31015傳感器信號調理芯片進行誤差補償的方案。描述了傳感器補償系統的整體構架,闡述了ZSC31015的硬件結構、軟件設計以及對傳感器的補償過程。試驗結果表明，采用上位機補償校準軟件對傳感器補償后，輸出信號在較寬的溫度范圍內與壓力呈良好的線性關系，并具有操作效率高的優點。

關鍵詞：ZSC31015應變式傳感器溫度補償校準智能化傳感器ZACwire

Abstract：To against the temperature drift error and nonlinear error of output signal existing in piezoresistive sensors,the error compensation scheme by adopting ZSX31015 signal conditioning chip is proposed. The basic framework of the sensor compensation system is described, and the hardware structure of ZSC31015, software design and the compensation process for the sensor are elaborated. The experimental results show that having been compensated by host computer compensation and calibration software, the better linear relationship between output signal and pressure in wider range is realized, and high operating efficiency is offered.

Keywords：ZSC31015Strain sensorTemperature compensationCalibrationSmarts sensorZACwire

0引言

智能化與集成化是傳感器未來發展的一個重要方向。將普通傳感器與專用信號調理芯片組裝成一個器件實現一體化的設計，使之具備信號采集、變換、邏輯判斷、計算能力，提供數字或模擬輸出選擇，具有與微型計算機通信的接口及在線標定與校準等功能。這類智能化傳感器在壓阻式傳感器中應用較多，國外企業在精度、制作成本、芯片體積等方面有較大優勢。德國ZMDI公司的ZSC31015傳感器信號調理芯片，能很方便地實現電阻性橋式傳感器的零點偏移、滿量程偏移、非線性及溫度漂移等的數字化校準與補償。在Windows環境下，芯片通過ZACwire 串行接口與上位機相聯，可以方便地實現大規模的校準操作[1]。

1應變式傳感器的橋式測量

電阻應變式傳感器的基本原理是將被測量的變化轉換成電阻的變化，再經過轉換電路變成電信號輸出。將電阻應變片粘貼在被測試件表面，在外力作用下，被測試件表面產生微小機械變形，應變片發生相同變化，其電阻也發生相應變化，而根據應力—應變關系σ=Eε，就可以得到試件應力的大小。測量時通常將敏感元件粘貼在彈性體上組成惠斯登電橋，把待測的非電量變化轉換成橋路的電壓變化。

從理論上來說，由于傳感器對應橋臂上的電阻完全相等，在傳感器不受負荷時，其輸出應當為零。但實際使用中由于應變片以及粘貼工藝等方面因素的影響，致使傳感器橋路上的電阻不能夠完全對稱，使得傳感器的零點輸出往往并不等于零，滿量程也存在偏差。當環境溫度等發生變化時，傳感器上各個橋臂上的應變片電阻值變化將出現不一致，使得傳感器的一致性以及性能指標等都會出現較大的變化[2]。

2傳感器補償校準系統結構

傳感器校準系統主要由氣瓶、數字化壓力控制器、傳感器補償校準板、計算機、數字電壓表以及內嵌有ZSC31015芯片的一體化傳感器等幾部分組成。氣瓶用于提供傳感器補償校準等過程中所需的壓力源；壓力控制器用于精確控制輸出壓力的大小；補償校準板用于計算機上安裝的芯片補償專用軟件與一體化壓力傳感器中ZSC31015芯片的通信,實現對芯片的參數設置和補償系數的獲取；數字電壓表用于對校準后傳感器輸出量程進行測量，判斷校準是否準確，若有偏差，則重新再次校準。

若采用兩點校準方法，校準過程為：首先，設置壓力控制器輸出零壓力，同時在軟件上設置對應的輸出電壓或電流值，下載校準；然后，設置壓力控制器輸出傳感器滿量程的壓力，在軟件上設置對應的電壓或電流值，再次下載校準；在整個補償校準過程中，補償專用軟件采集傳感器在零點和滿量程兩種壓力情況下的輸出信號，最后根據該芯片的校準公式，分別計算該溫度點下的傳感器補償系數，并將該系數自動存儲在芯片內部EEPROM中。傳感器校準系統框圖如圖1所示。

圖1　傳感器校準系統框圖

3ZSC31015硬件結構

ZMDI公司電阻電橋傳感器系列接口芯片的設計是一種高性價比的解決方案，廣泛應用于樓宇自動化、汽車、辦公自動化、白色家電等應用領域。其中，ZSC31015是一款適用于幾乎全部壓阻橋式傳感器的可調傳感器信號調理芯片，并具有溫度補償功能，經其測量與修正后的值以模擬電壓輸出，或者以單線串行數字電壓輸出。通過ZMD的ZACwireTM一線通信數字接口(one wire interface,OWI)，用戶可使用PC機編寫校準程序，將一組校準系數寫入芯片內的EEPROM。校準后的ZSC31015與對應的傳感器實現數字化的組合，可在無需增加外部器件的條件下進行快速的、精確的測量。ZSC3105的綜合診斷功使其尤其適用于自動化方面的應用[3]。

ZSC31015內部結構圖如圖2所示。

圖2　ZSC31015內部結構圖

片上數字信號處理電路DSP 的作用是對A/D轉換器輸出的傳感器數據進行計算處理、校準。

EEPROM中存儲有修正計算用的參數(增益、偏移等)以及硬件配置參數(輸出模式、數據更新率等)。

DAC電路為12位，它采用電阻串聯結構，并具有比例電壓與絕對電壓兩種輸出模式,通過配置可使其工作于其中的一種模式。這種結構能很好地滿足測試使用要求并且功耗低。

A/D轉換電路采用一個14位/1 ms電荷充電平衡電路對預放電路輸出進行A/D轉換。對傳感器輸入信號進行反相并具有四種偏移模式供選擇，這可以消除傳感器輸入偏移的影響。A/D 轉換速率可編程[4]。

溫度參考電路提供芯片內部溫度補償參考，也可以增加一個外接二極管，提供外部溫度補償參考。

兩個模擬和一個數字可選擇的三種輸出可以在許多應用領域提供通用的輸出。比例模擬電壓輸出信號適用于大多數樓宇自動化和汽車應用，典型的辦公自動化和白色家電應用需要0 ~1 V模擬輸出。圖3為電壓輸出的典型電路。此外，配合電流變換電路[5]，還可實現工業標準的4~20 mA的電流輸出，用以提高抗干擾能力[6]。

外接場效應晶體管JFET，可使用5.5~30 V電源電壓供電的系統。

圖3　ZSC31015應用電路

4工作模式與指令系統

4.1　ZACwireTM一線通信數字接口

ZSC31015采用了ZMD 系列產品的ZACwireTM一線通信數字接口(OWI)，這種接口將簡單易用的ZACwireTM通信協議同一個廉價的共享管腳相結合。這個接口既可輸出模擬電壓，同時又是一個數字接口，可輸入參數或輸出測量結果等。相比較其他通信模式，這種模式不需要其他管腳輔助，即一線完成通信功能，而其他協議都是多線通信，如I2C是雙線通信, SPI是三線通信。這樣便降低了成本和復雜度。通信中微控制器是主機，可以啟動通信和發送讀數據指令，而ZSC31015是從機。

ZACwireTM的位格式是占空比編碼，類似于曼徹斯特編碼。75%的占空比代表數據1，25%的占空比代表數據0，50%的占空比代表啟動(并用于設置閘門時間Tstrobe)。ZACwireTM的位格式編碼如圖4所示。

數據傳輸以字節(8位)為單位，先傳最高位MSB，只有當一個開始條件結束后，才能陸續傳送數據位。傳送的數值取決于高電位所占位周期的比率，即占空比。例如數據0x2B的時序波形如圖5所示[7]。

此外，ZMDI公司其他產品還可帶有I2C、SPI總線接口，例如ZMD31050。用戶可根據自己需要選擇合適的芯片。

4.2　工作模式

ZSC31015采用ZACwireTM串行通信協議，通過SIGTM引腳傳送指令或者數據。芯片有“NOM”普通模式、“CM” 命令模式、“RM” 原始模式三種工作模式,如圖6所示。

在上電后的3 ms命令窗口時間內，等待開啟命令模式指令Start_CM。若在窗口時間內沒有接收到該命令，則將進入NOM工作模式。在NOM模式下，原始的電橋值被轉換，經修正后以模擬或者數字形式進行輸出。

如果芯片在命令窗口時間內接收到開啟命令模式的指令Start_CM，那么它將保持在命令模式。在命令模式下，允許接收改變工作模式的指令。在接收原始工作模式指令Start_RM后，芯片將進入原始工作模式RM，未經修正的原始測量值按預先定義的格式以數字形式輸出。原始工作模式RM通常被用于校準軟件采集電橋原始數據，從而確定今后的校準系數[8]。

圖6　芯片工作模式

4.3　ZACwireTM一線接口的數據包結構

① 寫命令數據包結構

寫命令數據包由外部的主控制器(如MCU)發送至ZSC31015。數據包有兩個有效的數據字節，第1 字節為控制字(command byte)，第2 字節為數據字(data byte)。數據包以“Start Bit”作為起始位，每8 位數據字節后將有一位奇偶校驗位P，奇偶校驗位由8 位數據位通過異或運算產生。

② 應答數據包結構

應答數據包(ACK 包)由ZSC31015發送至外部的控制器。每次ZSC31015接收到控制命令數據包，都會在150 ms 內返回ACK 包進行應答，表示正確地接收到外部的控制命令數據包。如果外部控制器沒有收到ACK 包， 則表示芯片沒有正確接收到外部控制器之前發送的控制命令數據包。

③ 二字節測量數據包結構

在普通工作模式NOM下，將輸出兩個字節的測量數據，且先傳輸高字節再傳輸低字節。由于傳感器橋的測量結果為14 位，所以將高字節的最高兩位始終輸出為零。在二字節中間有一個停止時間，它為位周期的一半，約為32 μs高電平的時間。二字節測量數據包結構如圖7所示。

圖7　二字節測量數據包結構

④ 三字節測量數據包結構

由于ZSC31015具有溫度補償的功能，因此其可以傳送一個帶溫度數據的數據包。與二字節測量數據包相比，其增加了一個字節的溫度數據。三字節測量數據包結構如圖8所示。

圖8　三字節測量數據包結構

4.4　ZACwire一線接口與MCU通信軟件設計

MCU可以用中斷方式或查詢方式讀ZSC31015的數據。經試驗驗證，ZACwire線采用普通的8051端口就可以實現操作。當連接ZACwire信號到MCU的引腳時，能夠在起始位的下降沿引發一個中斷，使MCU轉向中斷服務程序ISR。當使用查詢方式時，MCU必須發起讀數據操作。ZACwire與MCU的連線圖如圖9所示。

圖9　ZACwire與MCU連線圖

4.4.1讀數據包讀取

測量起始位下降沿和上升沿之間的時間，該時間就是閘門時間，其寬度為位寬度的一半。再等待一個Tstrobe的時間，即在下一個下降沿，開始采樣ZACwire信號。因為每個位都以一個下降沿開始，所以每個位的采樣窗口都會復位。這意味著從起始位開始的比特流將不會發生誤差。建議當捕獲起始位時，ZACwire信號的采樣率至少為正常波特率的16倍。因為正常波特率是8 kHz，當捕獲Tstrobe時，要求采樣速率最小為128 kHz[9]。

4.4.28051的C語言代碼

采用查詢方式讀ZSC31015數據，程序如下。程序中對于選通時間并沒有進行精確測量，而是用延時函數估計。延時函數delay_10us是用邏輯分析儀對相應的MCU標定的，使用不同的MCU需要重新標定。

sbitSIG_PIN=P3^3;

∥延時函數，延遲x×10 μs，晶振為11.059 2 MHz

void delay_10us(unsigned char x){

unsigned char i,j;

for(i=0;i

j=6;

while(--j);

}

}

∥讀取兩個字節數據的函數

unsigned int ZSC31015(unsigned int temp_value){

unsigned int temp_value1=0;

unsigned int temp_value2=0;

unsigned char i;

delay_10us(12)；

//延時120 μs，等待穩定

//讀取第一個數據字節

while(SIG_PIN= =1);

//等待起始位開始(等待下降沿)

while(SIG_PIN= =0);

//等待Tstrobe(等待上升沿)

for(i=0;i<9;i++){

//讀8位數據和1位校驗位

while(SIG_PIN= =1);

delay_10us(6)；

//延時一個閘門時間Tstrobe

if(SIG_PIN= =1)

temp_value1|=1<<(8-i);

//獲取數據位，若此時SIG_PIN腳上為

高電平代表接收的數據為1，否則為0

else

while(SIG_PIN= =0);

//等待信號線再次為高電平

}

//讀取第二個數據字節

while(SIG_PIN= =1);

//等待起始位開始(等待下降沿)

while(SIG_PIN= =0);

//等待Tstrobe(等待上升沿)

for(i=0;i<9;i++){

//讀8位數據和1位校驗位

while(SIG_PIN= =1);

delay_10us(6)；

if(SIG_PIN= =1)

temp_value2|=1<<(8-i);

//獲取數據位，若此時SIG_PIN腳

上為高電平代表接收的數據為1，否則為0

else

while(SIG_PIN= =0);

//等待信號線再次為高電平

}

temp_value1 >>=1;

//刪除校驗位

temp_value2 >>=1;

//刪除校驗位

temp_value = (temp_value1<< 8)|temp_value2;

return temp_value;

}

5傳感器電橋的數字校準

一般的惠斯通電橋形式的傳感器都存在零點偏差(OffsetB)、滿量程偏差和溫度漂移偏差，另外，電橋本身還存在非線性(pressure nonlinearity,PNL)，如圖10所示。

圖10　惠斯通電橋的二次非線性

這些偏差都會對實際物理量的測量帶來誤差。為了得到與實際物理量成正比的線性輸出，ZSC31015設計的數字校準算法可以對零點誤差、滿量程誤差、電橋自身的非線性誤差和溫度漂移偏差進行補償[10]。

5.1　傳感器電橋的二次非線性校正

傳感器電橋的線性度可以進行一次或二次校正。典型的惠斯通電橋都具有非線性(PNL)，一般PNL 的范圍為-2.5%FSO~+2.5%FSO。用戶可根據所使用的傳感器的線性度指標決定是否對傳感器進行二次非線性的校準。傳感器的二次非線性校準需要在同一溫度下采集至少3 點不同壓力條件下的測量值，以確定二次拋物線的系數。

具體的計算過程如下。

ZB=Gain_B×(1+ΔT×Tcg)×

(BR_RAW-Offset_B+ΔT×Tco)

BR=ZB(1.25+SOT×ZB)

式中：BR為經修正后的橋傳感器測量結果，可作為數字輸出或在SIG腳模擬輸出;ZB為計算過程中的中間結果;BR_Raw為從A/D讀出的原始橋數據;Gain_B為橋式傳感器信號的增益;Offset_B為橋式傳感器信號的偏移量;SOT為二階參數;Tco為溫度系數偏移;Tcg為溫度系數增益。

以上計算過程由軟件自動完成。

5.2　校準過程

采用ZMDI公司提供的校準軟硬件，由主機采集不同壓力和溫度下的壓力傳感器的原始數據，并對這些數據進行處理，最后將修正計算系數寫入芯片。校準有3個主要步驟。

① 為芯片設置一個唯一的編碼。這通過EEPROM 編程實現。這個編碼可以作為校準數據的數據庫索引。數據庫中將包含用于校準計算所需的所有壓力和溫度原始數據。這個編碼可以用EEPROM 中的TSETL、Tcg、Tco 寄存器的值聯合起來表示(沒有專用的寄存器來存放編碼)。

② 數據采集。即對不同壓力和溫度下的傳感器橋進行數據采集，并將數據存于指定的索引(即IC 編碼)下。

③ 校準參數的計算和寫入。當校準計算機采集到足夠的用于校準的數據后，計算機將進行校準參數的計算并將計算結果寫入芯片。

5.3　校準后的測量結果

表1是某壓力傳感器在-40 ℃、20 ℃、80 ℃情況下經補償后的測量數據，傳感器測試壓力范圍為0~10 bar(1 bar=0.1 MPa),輸出為電壓信號。

表1　補償后在不同溫度下的試驗結果

采用ZSC31015芯片對每個傳感器的零點輸出統一為0.5 V，滿度輸出統一為4.5 V。從表中數據可見，整個量程(0.5~4.5 V)內實現了準確的零點和滿度校準，并完成了溫度補償，實現了各傳感器的一致性，且輸出信號與壓力呈良好的線性關系，得到了優良的校準結果。

6結束語

通過以上分析和試驗結果可以看出,采用ZSC31015能夠精確補償校正壓力傳感器的溫度誤差,經過補償后,傳感器的輸入與輸出之間呈現良好的線性關系。同時,簡化了外圍電路設計, 縮小了電路體積小,便于實現信號調理電路與傳感器的一體化設計。與傳統方法相比, 利用ZSC31015對傳感器進行數字化補償, 對壓力傳感器更好地應用于測量領域有著重要的意義。近年來，德國ZMDI公司的芯片在國內得到

越來越多的應用，但代碼開放度還不夠，該公司應提供更多的應用程序，便于工程師開發應用。

參考文獻

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中圖分類號：TH7;TP216

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508023

江蘇省產學研聯合創新資金-前瞻性聯合研究項目(編號：BY2014023-25)。

修改稿收到日期：2014-11-16。

第一作者繆曉中(1972-)，男，1993年畢業于蘇州大學物理專業，獲碩士學位，副教授；主要從事儀器儀表、嵌入式系統方面的研究。