如何利用FPGA实现智能传感器系统的设计

　　传统气体压力测量仪器的传感器部分与数据采集系统是分离的，抗干扰的能力较差，并且通常被测对象的压力变化较快。因此不仅要求系统具有较快的数据吞吐速率，而且要能够适应复杂多变的工业环境，具有较好抗干扰性能、自我检测和数据传输的功能。
　　在此，利用FPGA具有扩展灵活，可实现片上系统（SoC），同时具有多种IP核可供使用等优点，设计了能够控制多路模拟开关、A／D转换、快速数据处理与传输、误差校正、温度补偿的智能传感器系统；同时将传感器与数据采集处理控制系统集成在一起，使系统更加紧凑，提高了系统适应工业现场的能力。
　　1 系统性能及元器件
　　1．1 智能传感器系统性能要求
　　传感器压力测量范围：0～5 MPa；系统精度：±0．1％FS；1通道模拟电压输入（压力信号）大于250 sampies／通道／s；采用串行RS 232C接口输出。
　　1．2 系统主要元器件及性能
　　根据系统的精度指标的要求选择器件：
　　FPGA芯片 选用Altera的CycloneⅡEP2C5，其逻辑单元有4 608个LE，26个M4K RAM块，142个用户I／O引脚。
　　压力传感器 采用PDCR130W，压力范围0～7 MPa，工作电压直流10～30 VDC，输出0～10 V，精度±0．05％FS，使用温度范围-40～+125℃，温度影响±0．015％FS／℃。
　　温度传感器 采用高精度集成温度传感器LM335，其灵敏度为10 mV／K，精度为1℃，温度范围-40～+100℃。
　　A／D转换器 选择内含采样保持器的12位A／D转换器AD1674，其转换时间为10 μs，0～10 V单极输入或±5 V双极输入，可并行12位输出。
　　多路模拟开关 采用四选一多路模拟开关AD7502，其引脚设置为EN=1的使能信号；A1A0引脚为通道选择信号。
　　输出电平转换接口 系统使用MAX232芯片完成TTL和RS 232C电平的转换。
　　2 系统误差校正方法
　　2．1 零点漂移和增益误差的校正方法
　　在智能仪表中，误差模型的误差校正公式为：
　　
　　式中：b1和b0为误差校正因子。误差校正电路模型如图1所示，其中x为被测信号；y为系统输出；ε，k，i为影响系统的未知量。
　　
　　误差校正过程为：
　　当S1闭合时，x=0，依据误差校正公式得到式（2），用于系统零点校准；
　　
　　当S2闭合时，x=E（标准电压），得到公式（3），用于系统增益误差校正；
　　
　　联立式（2）、式（3）可得误差校正因子：
　　
　　当进行实际测量时S3闭合，利用计算出的误差校正因子和误差校正公式（1），即可求出校正后的输出信号y。 function ImgZoom（Id）//重新设置图片大小 防止撑破表格 { var w = $（Id）.width; var m = 650; if（w
　　2．2 传感器温度补偿方法
　　对压力传感器来说，环境温度对其测量结果有较大的影响，为了消除温度引起的误差，需要对传感器的信号做温度补偿。通过测量传感器的工作温度实现传感器温度的补偿。传感器的温度误差校正模型为：
　　
　　式中：y为测量值；yc经温度补偿后的测量值；△φ为传感器的实际工作温度与标准测量温度之差；a0为校正温度变化引起的传感器标度变化系数，a1为校正温度引起的传感器零位漂移变化系数，这两个系数反映了传感器的温度特性。
　　2．3 随机误差消除方法
　　系统采用算术平均的数字滤波方法消除系统的随机误差，通过连续N个采样值取其算术平均值，得数学表达式为：
　　
　　适合用于对具有随机干扰信号的滤波。
　　3 系统硬件结构设计
　　依据系统的误差校正和温度补偿方法，可得系统的硬件连接结构如图2所示。图2中模拟多路开关AD7502的4个输入通道分别为：A1A0=00，选通S0，S0通道接地，用于零点漂移校准；A1A0=01，选通S1，S1通道接+5 V（为AD1674最大输入电压的50％），用于增益误差校正；A1A0=10，选通S2，S2通道接温度测量信号，用于传感器的温度补偿；A1A0=11，选通S3，S3通道连接压力测量信号。通道选通信号A0，A1由FPGA芯片中的DAS_A0和DAS_A1引脚控制。
　　
　　系统中A／D转换器AD1674采用独立工作模式，其控制引脚设置为：CE和12／8接高电平；CS和A0接低电平。此时，AD1674设置为12位A／D转换，12位数据输出，其转换完全由R／C控制，如图2所示。当R／C=O时，启动12位A／D转换；当A／D转换结束时，状态信号STS=0，否则STS=1；当R／C=1时，读取12位A／D转换数据。R／C信号由FPGA芯片的DAS_RC控制。整个系统由基于FPGA的片上系统（SoC）控制。其中，FPGA芯片中的DAS_STS，DAS_RC，DAS_IN，DAS_A引脚为用户定制逻辑，即DAS控制单元的外部接口，用于控制AD1674的工作时序转换和AD7502的通道选择。
　　3．1 SoC结构的实现
　　SoPC设计由CPU、存储器接口、标准外设和用户定制逻辑单元模块等组件构成。Altera的SoPCBuilder工具提供了大量IP核可供调用，可以很方便地在单片FPGA芯片上配置嵌入NoisⅡ处理器软核、片上RAM和RS 232控制器、扩展片外存储器、用户定制逻辑单元，同时自动地为系统的每个外设分配地址、连接系统总线，确定设备优先级，其内部结构如图3所示。
　　
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　　3．2 数据采集控制单元的实现
　　数据采集系统（DAS）控制单元是整个系统的核心，其输入端口及其功能：DAS_STS用于接收AD1674的STS状态信号；DAS_IN（12位）用于接收AD1674并行12位转换输出；CLK，RST用作系统时钟和RESET的信号。输出端口DAS_RC接AD1674的R／C端，用以控制A／D转换器的启动和读数；DAS_A用作控制AD7502的A1A0通道选通信号；DAS_OUT（加通道的序号为16位）用作DAS控制单元的16位输出数据。
　　DAS控制单元的有限状态机（FSM）有4个状态，分别为St0，St1，St2，St3。St0为选择通道，启动A／D转换，进入St1状态；St1为等待转换结束，若转换结束，进入St2状态，否则保持在St1状态；St2为发出读数据信号，进入St3状态；St3为输出转换数据；选择其他通道，返回St0状态。DAS控制单元采用VHDL语言进行开发，程序的部分代码如下所示：
　　
　　DAS控制单元的仿真如图4所示。图中显示控制单元运行正确。
　　
　　3．3 智能传感器系统软件工作流程
　　系统中误差校正和温度补偿由系统软件控制完成。系统软件由SoPC Builder工具中的软件开发工具（SDK）进行开发。系统软件流程如图5所示。
　　
　　系统上电初始化并启动DAS控制单元，选通每个通道并消除每个通道的随机误差；然后根据校正过的0通道和1通道的数值，实时计算出误差校正因子，依据误差校正公式（1）实时校正零点漂移校准和增益误差，再根据测量得到传感器的工作温度，计算与标准温度的差值，通过查表获得传感器温度变化系数，最后依据温度补偿公式（5）校正测量压力数据，并将数据输出。
　　4 结 语
　　在系统的设计过程中，充分利用FPGA构建系统灵活，软、硬件开发相结合的特点，在满足系统性能的基础上，合理分配软硬件功能，简化系统设计。FPGA把过去由分立芯片实现的系统放在单个芯片中，这种单片系统的设计，大大提高了系统的稳定性和可靠性，同时提高了系统抗工业现场干扰的能力。