基于MAX1452的压力传感器校准系统设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名 ： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院 电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 基于 MAX1452 的压力传感器校准系统设计指 导 教 师 : 2013 年 03 月 09 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述一、本课题研究的目的及意义随着国防工业的不断发展,飞机、导弹等飞行器的结构无论在外形、受力情况及边界条件等方面均变得十分复杂。因此飞行气动参数的测试显得越发重要。用于飞行器表面压力监测的压力传感器性能要求相对其他应用有所不同,要求尺寸小、厚度薄、灵敏度和分辨率高,故选择MEMS硅微结构压阻式压力传感器 1。但由于半导体材料的固有特性, 普遍存在着零点输出、热零点漂移、热灵敏度漂移和非线性等问题,影响传感器的精确性。因此,必须采取有效措施,减少并补偿这些因素影响带来的误差,提高传感器的准确性 2。利用低成本精密信号调理器MAX1452对MEMS压力传感器做数字补偿, MAX1452是一款高度集成的模拟传感器信号处理器，优化于工业和过程控制中采用阻性元件的传感器 3。MAX1452具有放大、校准和温度补偿功能，可以逼进传感器所固有的可重复指标。全模拟信号通道在不会在输出信号引入量化噪声，利用集成的16位数模转换器(DAC)实现数字化校正。用16位DAC对信号的偏移量和跨度校准，赋予了传感器产品真正的可互换性。MAX1452结构包含可编程传感器激励、16级可编程增益放大器(PGA)、768字节(6144位)内部EEPROM、四个16位DAC、一个独立的运算放大器以及内部温度传感器。除偏移量和跨度补偿外，MAX1452还利用偏移温度系数(TC)和跨度温度系数(FSOTC)提供独特的温度补偿，在提供灵活性的同时降低了测试成本 4。MAX1452为16引脚SSOP/TSSOP封装和24引脚TQFN封装，工作在商业级、工业级和汽车级温度范围。对于非线性输出传感器(例如，湿度传感器)，信号调理器是否能够修正传感器的非线性输出非常关键。使用MAX1452修正传感器输出的非线性，该芯片是极受欢迎的低成本、高性能信号调理器，内置闪存、温度传感器和完整的模拟信号路径。尽管MAX1452没有包含非线性修正功能，但可通过非常简单的外围电路实现，即利用三个附加电阻进行非线性修正 5。它弥补了传统模拟方式补偿精度受限于传感器误差的非线性,且补偿元件同样受温度漂移等缺点。因此为解决飞行器气动参数测试系统中压力测量时的温度漂移问题, 现准备设计一种基于MAX1452的MEMS压力传感器校准系统 6。二、压阻式压力传感器的原理压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业 7。压阻式压力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。压阻式传感器常用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制 8。当力作用于硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异，因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。硅的压阻效应不同于金属应变计，前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大 50100 倍 9。硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗和极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电 10。MEMS 硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形应力杯硅薄膜内壁，采用 MEMS 技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度有 0.01-0.03%FS11。硅压阻式压力传感器上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号 12。三、本论文的主要思路本设计上、下位机通信校准系统的下位机通过RS232与计算机(上位机)进行通信, 大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232 口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。根据相关协议, 下位机在收到上位机指令后对指令进行解析,分析数据长度及指令类型,从而判断将指令发送给MAX1452后是否有返回数据。系统的抗干扰性好、设计灵活、方便，而且适合于在很恶劣的环境下进行现场温度测量。MEMS压力传感器的静态参数校准包括零点和灵敏度校准。采用上述的专用压力温度校准设备,在特定不变的气压和温度条件下进行。参考文献：1 宋玉华,张利萍,林淑明21世纪无人机关键技术J现代防御技术，2004(5)：32-372 彭春文,朱红杰,付世平等OEM硅压力传感器温度补偿技术研究J仪表技术与传感器，2000(7)：9-11 3 张浩,孟开元,曹庆年基于MSP430和MAXl452的温度补偿系统设计D微计算机信息2006(10)：244-2464 韩泽硅压阻MAP传感器的温度补偿校准M电子技术应用2006（4）:134-1365 薛伟,王权,丁建宁,杨继昌 基于MEMS技术的超微压压力传感器研究进展D;农业机械学报;2006(03):13-156 张鑫,郭清南,李学磊压力传感器研究现状及发展趋势J;电机电器技术;2004(4):22-267 赵彦晓压力传感器的热零点漂移补偿与非线性修正M;河北工业大学;2003(5): 53-588 赵妍基于MAXl452的压力传感器温度补偿D.电器应用，2006（4）：136-1399 郭明威压阻式压力传感器温度误差的数字补偿技术J.仪表技术与传感器，2008,25(05):76-7710 袁智荣硅压阻式压力传感器的现场可编程自动补偿技术D.传感器与微系统，2008，27（11）：72-7711 孙凤玲硅压阻式压力传感器温度补偿建模与算法研究J.微纳电子技术，2007,7(8)：48-50 12 焦正,吴明红日本基于MEMS传感器的研究进展D.传感器世界,2004(1):66-6813 Kalman,R.E.A New Approach to Linear Filtering and Prediction ProblemJ,Transaction of the ASME Journal of Basic Engineering,pp.35-45,196014 Uhlmann J K. Algorithm for Ultiple Target TrackingJ. American Science, 1992,80(2):128-14115 A.Glingdgren,K.F Gong.Position and Velocity Estimation via Bearing ObservationsJ.IEEE Trans.Acospace and Electronic Sytems.1978:vol.14:564-57716 SORENSON H W. Kalman Filtering:Theory and ApplicationM.New York:IEEE Press,198517 Brown,R.G. and P.Y.C. Hwang. Introduction to Random Signals and Applied Kalman FilteringM,Second Edition,John Wiley & Sons,Inc.199218 Maybeck, Peter S.Stochastic Models, Estimation, and ControlM,Volume 1,Academic Press,Inc. 1979 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、 本课题要研究或解决的问题因为半导体材料普遍存在着零点输出、热零点漂移、热灵敏度漂移和非线性等问题，影响传感器的精确性。因此，必须采取有效措施，减少并补偿这些因素影响带来的误差，提高传感器的准确性。现准备设计一种基于MAX1452的压力传感器校准方法。二、拟采用的研究手段系统框图设计系统由下位机、上位机以及相应的系统和应用软件构成。下位机主要由C8051F410和MAXl452智能芯片构成，上位机部分应用Visual C+ 6.0作为开发工具，采用面向对象的方法编制上位机软件。通过RS一485转USB适配器实现下位机与计算机(上位机)的通讯，对MEMS压力传感器进行校准和温度补偿。系统总体框图如图1所示。下位机TxRx图1 校准系统总体框图MAX1452内部包含可编程传感器激励、16级可编程增益放大器( PGA)、768字节( 收发器主处理器 C8051F410 UART 12 位 A/D转换 上位机稳压电源MEMS 传感器元件 信号调理电路 适配器 6144 位) 内部EEPROM、4个16位DAC、1个独立的运算放大器以及内部温度传感器。内部温度传感器输出信号经A /D转换后用其数字量来查询EEPROM表,从该表中确定一个偏移量校准值。其在- 40 + 125 。 C 范围内变址精度约为1.5 。 C . 每隔1ms,内嵌的温度传感器将给出一个在EEPROM中的查找表的变址,查表结果传至DAC寄存器。MAX1452使用了4个16位DAC寄存器,并由用户将校准系数存于其内部768x8EEPROM (6144位)中。这些内存都以16位字的形式存放,包含以下内容: 配置寄存器、偏移量校准系数表、偏移量温度系数寄存器、跨度校准表、跨度温度误差修正系数寄存器。为实现对MAX1452的控制与设置,需将锁定引脚(UNLOCK)接高电平,使能数字接口DIO( Digital Input Output) 的双向通信功能。在上位机软件中输入温度补偿校准时的精度、失调FSO等简单参数,并选择要配置的寄存器或者要编辑的EEPROM单元地址,将指令发送给下位机,由下位机与MAX1452进行通讯,完成指令传输。然后按照校准的过程和步骤调整压力及温度,并记录输出值,多温度多压力点测量后,进行曲线拟合,将值填入MAX1452对应的EEPROM中,从而完成对压力传感器的校准。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：目前，为了适应各种嵌入式系统的应用需求，单片机将向着高度集成，增强性能，提高速度，降低成本和功耗等方向发展。又因为它构成的应用系统具有体积小、成本低、使用灵活、性能好、易于产品化等特点，所以单片