基于AT89C58和PGA309的傳感器信號校準系統設計

摘 要： 為解決壓力測量系統中應變橋式傳感器的溫度漂移和非線性等問題，設計了基于AT89C58和PGA309的傳感器信號校準系統。PGA309是一種可編程信號調理芯片，主要用于應變橋式壓力傳感器，將微弱的傳感器信號進行放大輸出并進行校準。通過介紹系統結構及PGA309調理芯片的內部功能模塊，并結合傳感器的理論數學模型，詳細分析了PGA309對傳感器非線性、溫度漂移的補償算法。AT89C58作為微控制器，結合軟件編程、外設等實現了對核心補償器件PGA309的寄存器設置與校準控制。

關鍵詞： PGA309； 橋式壓力傳感器； 線性化； 溫度補償

中圖分類號： TN710?34； TP911 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0119?04

0 引 言

近年來，傳感器信號調理技術發展迅猛，向著集成化、小型化、智能化和數字化方向發展。而由于制作材料、工作原理、制作工藝、環境等因素的影響，導致傳感器直接輸出的信號中存在非線性、零點溫度漂移、靈敏度溫度漂移等問題，測量結果會出現較大誤差，因此，對于應變測量電路，溫度補償措施顯得非常重要[1]。為了獲取有用的信號，在實際應用中信號調理器常常被放置在壓力傳感器中，以補償傳感器在不同溫度下的誤差。

在充分研究傳統補償技術的基礎上，針對應變式傳感器，基于AT89C58和PGA309設計了一款應變橋式壓力傳感器信號校準系統。其中，TI公司生產的信號調理芯片PGA309為信號調節單元，AT89C58為系統微控制器。PGA309是一個全信號調節器，相比于工業和過程控制中采用熱敏電阻或者其他補償電路，PGA309的誤差小、功能更強大，而且集成度高，可對傳感器信號進行放大、線性化和溫度補償等，將誤差減小到接近橋接傳感器所固有的重復特性，賦予了傳感器產品真正的可互換性[2]。

1 校準系統總體結構設計

1.1 校準系統框圖設計

校準系統主要由微控制器AT89C58、信號調節芯片PGA309、A/D采集電路、液晶顯示電路、電源電路等構成。微控制器通過串口與PGA309單線數字接口PRG（UART可兼容型）相連，實現對PGA309內部寄存器數據進行訪問和編程，并結合液晶顯示和鍵盤操作完成整個校準和溫度補償過程；PGA309利用雙線制數字接口SDA（數據線）和SCL（時鐘線）對外部E2PROM數據進行存取訪問，外部E2PROM存放PGA309的配置信息及溫度補償系數查詢表[3]；ADC采集PGA309輸出信號，并送于AT89C58進行數據運算處理[4]。校準系統組成框圖

1.2 PGA309功能概述

PGA309是小型可編程的模擬信號調節器，內部包含電壓基準、可編程傳感器激勵、數據通信接口以及溫度檢測模塊等。

校準系統組成框圖

PGA309提供電壓基準VREF及傳感器電橋激勵電壓VEXC。為簡化電路和使用PGA309內部的線性化功能，本設計選用PGA309提供的精密、低漂移電壓基準VREF（4.096 V），并以VEXC作為傳感器電橋激勵源。

PGA309有兩種類型的數字接口。一種是單線數字接口PRG（UART可兼容型），與外部控制器進行數據交換，其比特率為4.8～38.4 Kb/s ；另外一種是符合工業標準的雙線制數字接口SDA（數據線）和SCL（時鐘線），與外部E2PROM進行數據通信。

PGA309共有三級信號放大及兩級零點漂移補償功能[5]，

PGA309放大及偏差補償通道

首先，利用帶正負的4位ADC和前置放大器（增益范圍最大為4～128倍）對輸入的微弱傳感器信號進行粗略偏移調整和初級放大，前置放大器為帶有自動歸零的三運算儀表放大器，有效地限制了噪聲和共模電壓信號[6]；再經過16位的零點DAC和增益DAC（增益可調范圍0.333 3～1倍）分別進行零點溫漂校正和精確增益調整，同時對溫度漂移進行了補償，零點DAC和增益DAC的輸出值是根據溫度傳感器測量到的溫度值，通過查表獲取相應系數計算得到的；第三級放大也稱為輸出放大器增益（增益調整范圍2～9倍）。信號放大電路提供的總增益范圍為2.7～1 152倍，并完成了對傳感器輸出信號的零點補償和溫度補償。

為實現對PGA309的控制與設置，需將測試引腳（TEST）接高電平。選擇要配置的寄存器，通過微控制器AT89C58及鍵盤、顯示等外設對PGA309進行寄存器配置。然后按照校準過程和步驟調整壓力，獲得的數據進行補償算法處理，解算出線性化及溫度補償系數，寫入PGA309對應的寄存器或外部E2PROM中，從而完成對壓力傳感器的校準。

2 PGA309補償原理分析

2.1 傳感器數學參考模型

對于大部分的橋式壓力傳感器而言，壓力非線性通常為二階，且在測量量程的中間點附近時誤差最大。零點和滿量程點同樣存在偏差，并且受溫度變化的影響；在溫度不變的情況下激勵壓力也會導致明顯的非線性輸出。合理的數學模型可以有效的補償非線性和溫度漂移引起的誤差，故首先應建立傳感器的理論數學模型[7]如下式：

[KBridge（P，T）=n0+n1T+n2T2+（n3P+n4P2）×（1+n5T+n6T2）] （1）

[KBridge（P，T）=（VOUT+Voffset_correction）Gain?VEXC] （2）

對于式（1），只要按照表1測出7組不同溫度力下的實驗數據，結合PGA309具體的配置根據式（2）可反解出電橋端的輸出值KBridge（P，T）。

標定數據記錄表

[TEMPERATURE＼PRESSURE＼VOUT＼TC＼PMIN＼VOUT1＼TC＼PMAX＼VOUT2＼TR＼PMIN＼VOUT3＼TR＼PHALF＼VOUT4＼TR＼PMAX＼VOUT5＼TH＼PMIN＼VOUT6＼TH＼PMAX＼VOUT7＼]

2.2 線性化校準算法

PGA309內部有一條專用于傳感器電壓激勵和線性化的電路。利用線性化環路，引入一定比例的輸出反饋電壓信號，動態的改變激勵電壓的大小，來補償橋式傳感器的輸出相對于壓力的弓形非線性曲線，進而使輸出電壓盡可能與理想線性曲線相吻合。隨著加工工藝的日臻完善，應變橋式傳感器的非線性已有很大提高，一般只需要簡單的反饋進行修正就夠了[8]。

由線性化環路可得：

[VEXC?KBridge（P，T）?Gain+Voffset_correction=VOUT] （3）

引入反饋后的激勵電壓為：

[VEXC=（VREF?KREF+VOUT?KLIN）] （4）

代入式（3）中則有：

[VOUT=（VREF?KREF+VOUT?KLIN）?KBridge（P，T）?Gain+Voffset_correction] （5）

故輸出電壓的表達式為：

[VOUT=KBridge（P，T）?VREF?KREF?Gain+Voffset_correction1-KBridge（P，T）?KLIN?Gain] （6）

式中：KBridge（P，T）是傳感器輸出信號，對反饋系統來說屬于輸入量；VREF，KREF是參考電壓及相應的系數，為固定常數；Gain，Voffset_correction為增益放大系數和零位補償電壓，當溫度確定后其值也是固定的，PGA309在進行非線性補償的時候不考慮溫度影響，即假設溫度不會對傳感器線性產生影響，所以Gain和Voffset_correction也是常數；因此，對整個補償系統來說，系數KLIN將決定最終的補償效果。在PGA309中，KLIN是利用內部7位DAC來實現的。

對于應變橋式壓力傳感器，當輸入壓力在滿量程半左右的時候，非線性最嚴重，因此合理的KLIN需要利用中間點壓力情況下的系統輸出來計算，其目的是當壓力為中間點時，輸出的誤差為零[9]，中間點壓力計算KLIN的最終簡化公式為：

[BV=KBridge（50）-KBridge（100）+KBridge（0）2KBridge（100）-KBridge（0）] （7）

[KLIN=4BV?VREF?KREF（VOUT_MAX-VOUT_MIN）-2BV?（VOUT_MAX+VOUT_MIN）] （8）

式中：BV為室溫下傳感器壓力中點的非線性，通過零點、中間點及滿量程點傳感器輸出求得；VOUT_MAX為PGA309最大輸出；VOUT_MIN為PGA309最小輸出；KLIN根據中間點誤差得到。根據反饋的原理，當傳感器的輸出KBridge（P，T）有正的偏差的時候，反饋系統的輸出VOUT相對輸入KBridge（P，T）而言產生負的偏差，所以總的偏差將被抵消。

2.3 溫度漂移補償算法

PGA309對溫度漂移誤差的補償是通過線性內插算法實現的[10]。在工作溫度范圍內，將溫度分為17段并相應建立一組溫度/DAC值（增益DAC和零點DAC）的溫度標準點，這些點就是溫度補償查詢表的索引值；在溫度ADC進行采樣輸出結果后，查詢該輸出所在溫度索引值區間，根據線性內插原理，獲得與溫度對應的零點DAC和增益精調DAC的值，進而調節PGA309的輸出，達到溫度補償的效果。溫度漂移補償算法的實現，首先要建立溫度補償系數查詢表。根據傳感器數學模型，當壓力為零或者最大時，分別求出橋式傳感器對應的零點漂移曲線和靈敏度漂移曲線，計算公式為：

[KBridge（P，T）=n0+n1T+n2T2] （9）

[KBridge（P，T）=n0+n1T+n2T2+（n3PMAX+n4PMAX2）?（1+n5T+n6T2）] （10）

由式（9）、式（10）計算出不同溫度下的零點漂移曲線和靈敏度漂移曲線，結合期望輸出范圍解算出零點DAC和增益精調DAC的值，再根據線性內插算法建立17個點的溫度補償系數查詢表。溫度補償過程是通過對溫度索引值的查詢比較完成的，故每次補償首先進行溫度的采樣。

增益DAC計算邏輯圖

所示，T0，T1，…，T7為溫度索引值，G0，G1，…，G7是在相應溫度T0～T7下對增益DAC的期望設置值，GM1～GM7是分段線性曲線的斜率。

若PGA309帶有內插演算法的查詢邏輯正常工作時，且當溫度ADC進行轉換后，PGA309會對整個外部E2PROM進行讀操作，將隨溫度變化而開始對增益DAC進行連續的計算；在讀取到每個溫度索引值（TX）時，將其與Tread （當前溫度ADC的轉換結果）相比較，若TX>Tread，則說明Tread 在TX-1和TX之間。在圖3中，這種情況在讀T7時發生，累加器GAC6 （讀取T6的GAC）的內容通過加上（Tread-T6）[?]（GM7）來修改，所得結果GAC_ADCread是Tread=25 ℃時對增益DAC的線性內插設置值。

對零點DAC的比例系數算法與增益DAC相同，也用于溫度補償；經過補償后的傳感器精度大大提高，具體的補償算法流程圖

補償算法流程圖

3 校準系統工作流程及實驗結果

壓力傳感器的靜態參數校準包括零點和靈敏度校準。采用上述的專用壓力傳感器校準設備，在特定的壓力和溫度條件下進行校準，生成溫度補償系數查詢表以及內部寄存器配置數據。為了使配置參數在溫度變化時不超出設置范圍，對PGA309增益的分配及零位的調節應遵守以下兩點原則：

（1）將精細增益初始值設置為中間值（0.667），預校準后則接近中間值。

（2）適當選取粗略偏移調整值和前端增益，使得零點DAC輸出值在預校準后接近調節范圍中間值（2.5 V）。

根據增益分配及零位調節原則、溫度補償原理和線性化校正原理，制定校準系統工作流程[3]

系統工作流程圖

在-24.7 ℃，25.2 ℃，50.4 ℃下測得7組數據見表2，求出傳感器數學參考模型，再設置17個溫度索引值，結合模型解算出溫度對應的零點DAC和精細增益DAC數值，生成溫度補償系數查詢表，完成對傳感器非線性、零點漂移和靈敏度漂移的校準。

實驗數據記錄表

[溫度 /℃＼壓力/FS%＼校準前

VOUT /V＼誤差 /%＼校準后

VOUT /V＼誤差 /%＼-24.7＼0＼-0.06＼-1.2＼0.001＼0.02＼-24＼100＼5.47＼9.4＼5.000＼0.000＼25.2＼0＼0.01＼0.2＼0.000＼0.000＼25.2＼50＼2.53＼0.6＼2.500＼0.000＼25.2＼100＼5.13＼2.6＼5.500＼0.000＼50.4＼0＼0.000＼0.000＼0.000＼0.000＼50.4＼100＼4.58＼8.4＼5.002＼0.004＼]

4 結 語

針對傳感器普遍存在著非線性及溫度漂移等問題，本文基于AT89C58和PGA309設計了一款壓力傳感器校準系統。通過對PGA309內部模塊的介紹，特別是對溫度補償和非線性補償原理的分析，并結合實驗數據分析可知，壓力參數測量精度較高，從而極大改善了壓力傳感器的溫度性能及非線性，實現對傳感器信號的有效補償。

參考文獻

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