基于ZIGBEE的壓力傳感器標定系統的研究

周 靜， 彭琰舉 ， 常 鵬， 張會先， 張 菅

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

在旋轉導向鉆井中，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構，以提高輸出靈敏度。但一個微應變電橋輸出只有2 mV左右，即使在滿載情況下，應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

系統設計方案如圖1所示。系統主要由信號調理模塊、數據采集模塊、數據傳輸模塊、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，具有較高的數據通訊速率，ZIGBEE具有自組網的能力，對多組網及后續設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，使得系統大大簡化；接口模塊采用了PL2303芯片將RS232轉換成USB總線，方便與計算機連接；數據處理模塊采用了常用的個人PC機，相對一般的MCU在處理數據的速度和能力上均有明顯優勢。

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

2 系統原理

最小二乘法是一種在多個學科領域中獲得廣發應用的數學處理方法，可以用來擬合經驗公式以及回歸等數據處理問題[3]。其原理如下。

設有t個未知量，則可得如下函數關系式，式（1）：

測量數據 l1，l2…，ln的殘余誤差為：

測量結果的最可信賴值應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，同時讓它等于0。將求導后的公式進行整理得到式（4）。

以上就是最小二乘法的正規方程，也是最終用來計算的方程。

3 系統硬件設計

1）電源電路設計及實現

如圖2所示，ADP3303屬于ADP330x系列精密低壓差anyCAP?穩壓器[4]，采用新穎的架構、改良的工藝和新封裝，與傳統LDO相比性能更出色。它采用專利設計，僅需一個0.47 μF輸出電容便可保持穩定。ADP3303在室溫條件下可達到±0.8%的出色精度，溫度、線路和負載調節的整體精度為±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，當該器件即將產生失調時，或者短路、熱過載保護激活時，該錯誤標志會顯示相關信息。其它特性包括關斷和可選降噪功能。

2）AD采集電路的設計及實現

壓力傳感器廣泛的采用壓阻式設計，壓阻式傳感器是利用半導體的電阻率隨應力變化的性質制成的半導體器件，它在半導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，電阻值發生變化，電橋失去平衡，產生電壓輸出。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管（XFET）基準電壓源，具有低噪聲、高精度和出色的長期穩定特性，采用SOIC和MSOP封裝。利用溫度漂移曲率校正專利技術和XFET技術，可以使電壓隨溫度變化的非線性度降至最小。XFET架構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、穩定性和精度，非常適合高精密數據采集、轉換等應用。在本系統中為壓力傳感器供電，激勵傳感器將物理信號轉換成電信號。

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。為了提高系統精度需在模擬輸入端采用一些濾波器，本系統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的內置PGA放大。該PGA經過編程，以128的增益工作。AD7190的轉換結果送至微控制器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字電源引腳。模擬部分必須采用5 V電源供電。數字電源獨立于模擬電源，可以為2.7～5.25 V范圍內的任意電壓。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換，從而可以簡化ADC與微控制器之間的接口。

3）數據傳輸電路的設計及實現

XBee? &XBee-PRO?802.15.4 OEM無線射頻模塊[6]，具有很強的協議兼容性，可以很好的匹配ZIGBEE網絡，無須額外射頻通訊配置。只需將MCU的UART端口與相對應的ZIGBEE模塊的RTS、CTS、GND對應連接即可，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 系統軟件設計

根據設計的要求和軟硬件模塊劃分，本系統的軟件主要完成數據采集、溫度采集、數據傳輸、控制加壓程序數據處理、最終給出標定報表等相關參數。其中數據采集，溫度采集，及數據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據采集，待到數據達到傳輸要求時，進行數據傳輸；在上位機得到數據傳輸結果時開始對數據進行分組處理，最后使用最小二乘法對數據曲線進行擬合，最終得出軟件設計流程；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 試驗數據及分析

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，b為起始基準；

2）試驗數據處理擬合公式：

由3組正反行程測得的數據進行繪圖如圖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。鑒于測試數據量較大，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，這就說明在傳輸的過程中有高頻信號的干擾，可以使用數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，即相對時間，縱軸為壓力量化臺階值（壓力信號轉化成的數字量）。每一個臺階都包含相同壓力下采樣的大量數據。壓力傳感器標定試驗，在一定的時間間隔內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，反復行程3次，通過滑動平均值求出其穩定值。最終進行最小二乘法數據擬合。得出相關壓力參數。使用時用式（1）～（5）變換即可得出實際壓力值。

6 結 論

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

[1]丁永浩，李舟波，馬宏宇.隨鉆測井技術的發展[J].世界地質，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理模塊的設計與實現[J].儀表技術與傳感器，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據擬合[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設計工程實務[M].北京:國防工業出版社，2008.

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