高精度压力数据采集系统设计

第9卷第3期北华大学学报(自然科学版)Vol.9No.3 2008年6月JOURNAL OF BE I HUA UN I V ERSI TY(Natural Science)Jun.2008

文章编号:100924822(2008)0320274203

高精度压力数据采集系统设计

庄　严1,伊　凤2

(1.北华大学电气信息工程学院,吉林吉林　132021;

2.中国石油天然气股份有限公司吉林石化分公司研究院,吉林吉林　132021)

摘要:介绍了一种高精度压力数据采集系统的设计方法.以高性能MSC1211Y5微处理器为核心,采用高精度硅压式压力传感器采集数据,配以信号处理,同时利用RS2485接口构成总线型通信网络,形成一个高精度数据采集系统.

关键词:数据采集;压力;传感器;微处理器

中图分类号:TP274.2 文献标识码:A　

Desi gn of Hi gh Accuracy Pressure Dat a Acquisiti on Syste m

ZHUANG Yan1,YI Feng2

(1.E lectric Infor m ation Engineering College of B eihua U niversity,J ilin132021,China;

2.China Petroleum J ilin Petro2che m Research Institute,J ilin132021,China)

Abstract:A design method of high accuracy p ressure data acquisiti on syste m is intr oduced.MSC1211Y5with high2perf or mance m icr op r ocess ors is the core,using high accuracy silicon p ressure sens or collects data,coup led with signal p r ocessing,using RS2485interface constituted bus2communicati on net w orks s o that a high accuracy data acquisiti on system is for med.

Key words:Data acquisiti on;Pressure;Sens or;M icr op r ocess or

作为常见的工程量之一,对压力的数据采集技术研究很多.微电子技术的一系列成就以及微型计算机的广泛应用[1],不仅为数据采集系统的应用开拓了广阔的前景,也对压力数据采集系统的发展产生了深刻的影响.

在石油、化工、冶金等工业及科研领域中,都必须进行相关的压力检测与分析.通常,描述过程参量的压力值变化速度较慢,但在压力信号的采集过程中,要求非电2电的转换精度非常高.所以,高精度是压力数据采集技术研究与发展的一个主要方向.

1　设计方案

高精度压力数据采集系统应具有精度高、稳定性优良、误差小、灵敏度高等优良特性[2],并结合具体应用全面考虑设计技术指标所提出的各项要求,在实现功能、保证精度的前提下力求实现小型化、低成本和低功耗.

本文设计的高精度压力数据采集系统提供了一种精确测量压力的系统方法,它将三种技术融为一体:收稿日期:2007212211

作者简介:庄严(1968-),女,副教授,硕士,主要从事智能检测与自动化装置设计研究.

压力数据采集、微型计算机和数字信号处理,设计方案如图1所示.以单片机为核心,利用多个压力传感器采集被测信号,经多路开关切换;由温度传感器检测系统工作温度,进行温度补偿,经信号处理后,输出数字量与模拟量,并与上位机进行通信,实现信息传递;电源模块为系统供电.

2　系统组成

高精度压力数据采集系统的硬件电路分为4个部分:电源模块、传感器模块、MCU 模块和数据输出模块.电源模块为集成芯片提供5V 的工作电压,设计为可充电电池供电;传感器模块选取高精度硅压式压力传感器,用来将被测物理量转换为相应的电压信号;MCU 模块是整个系统的核心;数据输出模块实现数据通信.为了实现高精度的要求,控制单元采用MSC1211Y5.设计选用RS 2485接口实现系统的通信功能,其系统组成结构如图2所示

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图1　压力数据采集系统原理

F i g .1　Pr i n c i ple of pressure da t a acqu isiti on syste

m 图2　压力数据采集系统结构F i g .2　Structure of pressure da t a acqu isiti on syste m 3　系统硬件设计

3.1　压力传感器的应用设计

Mot or ola 公司生产的X 型硅压力传感器克服了普通硅压阻式传感器的缺点,采用单个X 型电阻元件专利技术,而不是电桥结构,其压敏电阻元件呈X 型,因而称为X 型压力传感器.该X 型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上,并采用计算机控制的激光修正技术、温度补偿技术,使Mot or ola 硅MPX 系列压力传感器的精度很高,其模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压,具有极好的线性度,且灵敏度高,长期重复性好.本系统设计采用MPX2100DP 高精度硅压式压力传感器作为压力检测元件.基于传感器融合理论,融入环境温度信息,利用单片机实现压力传感器的非线性和温度补偿,可以很好地满足系

统的要求[3].MPX2100DP 具有如下特点:1)传感器灵敏度较高,为(40±1.5)mV;2)传感器由热敏电阻组成温度补偿网络,在-40℃～+125℃范围内有较好的温度补偿效果,从而提高了传感器的精度;3)具有极好的线性度(±0.25%FS );4)有较宽的工作温度范围(-40℃～+125℃);5)允许过载大(400%);6)具有数字输出和模拟输出.

3.2　单片机MSC1211Y5的应用

根据设计的高精度要求,此压力数据采集系统以24位高精度低功耗微处理器MSC1211Y5[4]

为核心,实现对传感器信息的处理、数字通信和智能化管理.利用计算机现成的RS 2485标准串行口实现与系统的通信,能够满足大多数工业控制系统的要求,稍加改进,即可实现远程控制和网络控制.

MSC1211Y5内部集成了24位无丢失码、低噪声S 2

Σ2ΔA /D 转换器和16位D /A 转换器.从压力传感元件输出的信号可以直接送入到微处理器内部的A /D 转换器,其内部具有可编程增益放大器,可根据输入信号的范围自动设置增益放大倍数.A /D 转换器对模拟信号数字化并进行数字滤波后,由MCU 根据从温度芯片读来的温度信号,从F LASH 存储器中读取零点、线性度校正系数后,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并将其送到内部的D /A 转换器,从而输出相应的模拟电压值,同时将

压力以相应的单位显示在显示器上[5].572第3期 庄　严,等:高精度压力数据采集系统设计