傳感器現場校準測試系統電氣系統設計與實現

翁俊禮，常超，陳碧海，李勇

(北京遙測技術研究所，北京100076)

0 引言

本文主要論述傳感器現場校準測試系統電氣系統的原理組成和硬軟件實現。該傳感器校準測試系統(以下簡稱測試系統)由氣路系統和電氣系統兩部分組成。氣路系統用于為各壓力傳感器提供標準壓力氣體，電氣系統完成控制和數據采集等工作。

1 技術指標要求

1.1 被測件主要指標

1.1.1 脈沖頻率輸出式壓力傳感器

1)此傳感器為密封表壓傳感器，輸出脈沖量與被測壓力對應關系為

式中:f 為輸出;f0為零位;p 為被測壓力(絕壓);K為靈敏度;p0為當地大氣壓力。

2)量程、零位和靈敏度:10 MPa，100 ～350 脈沖/s，(1000±20)(脈沖/s)/MPa。

3)誤差:不大于1% FS。

1.1.2 壓力開關

1)壓力開關開關觸點通斷壓力值和過壓能力:(2±0.2)MPa，16 MPa。

2)壓力開關響應時間(從敏感元件感受到接通壓力值至壓力開關觸點可靠接通):不大于30 ms。

1.1.3 磁敏行程開關傳感器

1)磁敏行程開關傳感器輸出信號保持時間(敏感到磁場后開關觸點閉合并保持閉合狀態的持續時間):大于1 s。

2)磁敏行程開關傳感器輸出信號接通響應時間(敏感到磁場至開關觸點閉合的時間):不大于10 ms。

1.2 現場校準測試系統主要指標要求

1)脈沖頻率輸出式壓力傳感器輸出脈沖計數誤差:±1 個。

2)壓力開關觸點接通、斷開壓力值測試誤差:±0.05 MPa。

3)壓力開關響應時間測試誤差:±2 ms。

4)磁敏行程開關傳感器輸出信號保持時間測試誤差:±15 ms。

5)磁敏行程開關傳感器輸出信號接通響應時間測試精度:±1 ms。

此外，測試系統需通過GJB151A-97《部分電磁兼容性試驗》、GB/T17626.4-2008《電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》和GB/T17626.5-1999《浪涌沖擊抗擾度試驗認證》。

2 電氣系統原理組成及功能

2.1 電氣系統組成

電氣系統采用基于RS-232 串口通信實現的上、下位機模式，主要由測控電路、壓力傳感器、大氣壓力傳感器、精密數字壓力表、計算機、打印機、電源等組成。電氣系統原理組成如圖1所示。

圖1 電氣系統原理框圖

2.2 主要模塊功能

1)測控電路:多路直流供電電壓信號采集、壓力傳感器輸出模擬電壓信號采集、開關量信號采集、脈沖頻率輸出式壓力傳感器脈沖量計數;通過I2C 接口與大氣壓力傳感器通信，通過RS-485 接口與精密數字壓力表通信;通過SPI 接口將處理后的壓力傳感器信號送LED 顯示壓力值;通過I/O 接收外系統的控制信號;通過I/O 接口驅動電磁閥;通過RS-232 接口與計算機通信，接收計算機發出的指令和數據，將控制參數和壓力傳感器校準數據寫入非易失性Flash 存儲器之中，將采集的數據傳送給計算機處理。

2)壓力傳感器:用于壓力開關的靜態性能和動態性能測試。

3)電磁閥:用于壓力開關動態特性測試。壓力開關響應時間測試方法基于快開閥門式原理。響應時間測試過程中，電磁閥快速開啟，使高壓氣瓶中的高壓氣體通過引壓管快速充滿基準壓力傳感器和壓力開關的測壓腔［1-2］。

4)精密數字壓力表:脈沖頻率輸出式壓力傳感器靜態性能測試中作為壓力基準。

5)大氣壓力傳感器:用于測量當地大氣壓力值p0，以修正脈沖頻率輸出式壓力傳感器因測試地點不同而引起的零位f0誤差。

6)計算機:向下位機發送各種控制指令和數據，接收下位機送來的測試數據，將原始數據存入(.txt)文本文件中，將處理后的結果存入ACCESS 數據庫。在上位機測試軟件中實現測試結果組合條件查詢和打印。

3 硬件電路實現

硬件電路的研制主要集中于測控電路的開發，在本項目中我們選用片上資源豐富、功能齊全的C8051F131 作為測控電路的核心。

C8051F131 是高度集成的混合信號系統級(SoC)MCU 芯片，具有基于增強的CIP-51 內核，其指令集與MCS-51 完全兼容，采用流水線結構，70%的指令執行時間為1 到2 個系統時鐘周期，豐富的片上資源和外部設備接口(8 路10 位100 KSps 的ADC，1×I2C，2× UART，6 路可編程計數器陣列PCA，1× SPI，128KB 非易失性Flash 存儲器)完全滿足本項目需要。片內JTAG 調試電路支持非侵入式(不占用片內資源)在系統調試，方便硬件調試開發工作。

3.1 與被測產品直接相關的硬件電路實現

這部分電路包括數據采集通道和控制通道。數據采集通道用于采集各傳感器的電信號輸出，電路實現見圖2 和圖3。圖中的光電耦合電路主要用于輸入信號整形。

圖2 開關量前向輸入通道

控制通道用于壓力開關響應時間測試過程中，驅動電磁閥的開啟與關閉。在磁敏行程開關傳感器響應時間測試中激勵線圈產生磁場，磁敏行程開關傳感器敏感到磁場從而推動開關觸點閉合。控制通道電路實現見圖4。圖中的二極管用于消除感性負載反向電壓對繼電器的影響。

圖3 脈沖頻率量前向輸入通道

圖4 控制通道電路實現

3.2 基準壓力傳感器的選擇

基準壓力傳感器作為壓力開關靜態性能和動態性能的測量基準，其性能直接影響壓力開關測試結果的精度。

考慮到壓力開關的靜態和動態指標要求，選用我所自研生產的離子束濺射薄膜式表壓壓力傳感器。此傳感器為模擬電壓輸出，量程12 MPa，滿量程輸出(4.8±0.1)V，誤差1% F.S，響應頻率約800 Hz。此基準傳感器在1 ～3 MPa 區間的絕對誤差優于±0.05 MPa，滿足靜態性能(通、斷點壓力值)測試要求。

基準壓力傳感器的輸出與被測壓力之間為線性關系，工作直線方程為

基準傳感器需定期進行校準，并將校準數據通過上位機測控軟件寫入下位機的Flash Memory 之中。

響應時間測試中，開啟電磁閥，高壓氣瓶中的高壓氣體通過引壓管快速充入基準壓力傳感器和壓力開關的測壓腔，同時啟動ADC 對基準壓力傳感器的輸出和壓力開關觸點通斷狀態進行高速采樣。計算基準壓力傳感器達到接通壓力值的時刻與壓力開關觸點接通時刻之間的時間差，得出壓力開關的接通響應時間。圖5 為壓力開關響應時間實際測試結果。當電磁閥入口壓力為6.5 MPa 時，基準壓力傳感器輸出電壓從0 V上升至1 V(對應壓力開關接通壓力值)的時間約800 μs，壓力開關接通響應時間約23 ms(此測量結果包含基準壓力傳感器響應延時和引壓管效應的綜合影響［3］)，與壓力開關計量標定數據比對，測量誤差滿足±2 ms 要求。

圖5 壓力開關響應時間測試

3.3 其他硬件電路實現以及電磁兼容性設計考慮

測試系統中除了與被測產品直接相關的硬件電路外，測控電路還包括其他與壓力傳感器、精密數字壓力表、大氣壓力傳感器、外系統控制信號的接口電路。

此外，為確保測試系統在測試現場不受外接電磁干擾影響并滿足電磁兼容性要求，測試系統采用定制的線性直流一體化AC/DC 電源為測控電路供電，AC/DC 電源中采取措施以滿足國軍標和國標中與供電電源相關試驗條款的要求。

測試系統中的電磁閥(工作電壓27 V，工作電流1 A)由AC/DC 電源中單獨回路供電，以避免電磁閥動作電流對測控電路其他部分造成影響。

由于測試系統與基準壓力傳感器和被測件之間存在約5 m 的距離，因此所有電信號傳輸電纜均采用屏蔽電纜。

還有一些其他的抗干擾措施，由于篇幅所限，在這里不作詳細介紹。

4 軟件實現

電氣系統軟件包含運行于計算機的上位機測控軟件和運行于C8051F131 單片機之中的嵌入式軟件。

4.1 上位機軟件

上位機測控軟件在Visual C++6.0 環境下開發，基于CFormView 基類實現的視圖對話框應用程序，運行于Windows XP 操作系統之上，上位機測控軟件通過MSComm 控件與下位機通信，通過ADO 組件與ACCESS 數據庫交互并將處理后的數據存入數據庫之中，測控軟件結構見圖6［］。模塊分開。源代碼文件組織如圖7，各文件實現的功能接口如表1。

圖6 上位機軟件框架結構圖

圖7 下位機文件組織

基于Windows 圖形界面風格的測控軟件便于用戶快速掌握和使用。

4.2 下位機軟件

下位機程序在KEIL C 開發環境下使用C 語言編寫完成，在軟件開發過程中貫徹結構化軟件設計思想，并借鑒C++面向對象語言的對象封裝特性，盡量減少各功能模塊間的耦合，源文件的組織上，也將各功能

在下位機程序設計上還借鑒多線程概念(盡管C8051F131 不支持多線程)，在main(void)主函數的主循環中啟動兩個并行循環，稱之為“主線程”(主任務隊列)和“輔線程”(端口任務隊列)，上位機直接發送的所有命令及一些與端口無關的操作置于“主線程”中。“主線程”根據任務特點，將一些與時間緊密相關的I/O 端口操作置于“輔線程”之中，“主線程”可以隨時終止“輔線程”的運行，如此安排使下位機軟件結構清晰，流程順暢，源代碼易于閱讀，軟件的升級、裁剪、擴展和移植更輕松。

表1 各文件實現的功能接口

借助于面向對象程序設計軟件工程中的“序列圖”可展示壓力開關接通響應時間測試流程中主、輔線程間的交互，序列圖［8］見圖8。

圖8 主循環中主輔線程序列圖

在下位機程序中，串口數據接收具有最高中斷優先級，串口將上位機發送的“壓力開關接通響應時間測試”命令賦于主線程。主線程經過最多約15 μs(一個主任務隊列查詢循環)的延遲后設置輔線程任務標志為“YK_TIME_CAP(壓力開關響應時間捕獲命令)”，輔線程經過最多約5μs(一個端口任務查詢循環)的延遲后檢測到任務標志為“YK_TIME_CAP”，立即開始計時并啟動Yk_TimeCap()函數對基準壓力傳感器和壓力開關觸點對應的I/O 進行高速采集。Yk_TimeCap()函數檢測到基準壓力傳感器達到壓力開關觸點接通壓力值的時刻和I/O 端口狀態變化(或經過一定的超時時間間隔)后，通過變量port3_state 向輔線程返回I/O 端口狀態變化情況，“輔線程”停止計時并計算壓力開關觸點接通響應時間(或置壓力開關觸點接通響應時間測試超時標志)。在輔線程中置主線程任務標志為“YK_TIME”，主線程向上位機發送壓力開關接通響應時間測試數據(或壓力開關觸點接通響應時間測試超時標志)。至此，“壓力開關接通響應時間測試”任務結束。

序列圖主線程實現代碼如下:

序列圖輔線程實現代碼如下:

5 結束語

文本總結了傳感器現場校準測試系統電氣系統的硬件和軟件設計，對硬件和軟件總體架構做了介紹，并給出部分硬件電路詳細設計和部分軟件代碼。傳感器現場校準測試系統對脈沖頻率輸出式壓力傳感器、壓力開關和磁敏行程開關傳感器的實際測試結果滿足技術指標要求。該傳感器現場校準測試系統參加了火箭各工程階段的現場測試試驗，達到預期功能要求和測試精度。

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