返回列表繁体版 回复 发帖

智能压力传感器系统完美方案

压力传感器的兴起,离不开对它原理的应用,压力传感器的的设计随着技术的发展,出现了新的走向, 
所谓智能压力传感器就是一种带有微处理器的,智能压力传感器[5]兼有信息存储、信号处理、自身故障自检及报警、信息检测的压力传感器。智能压力传感器具有较强的信息处理功能的能力,其主要是通过微处理器的程序来完成的,主要的核心是数据拟合算法,所义说智能压力传感器是硬件电路和软件程序结合的产物,可以说将人的思维嵌入到微处理器中,按照人的思维去操作控制。其典型结构如图



TI压力传感器系统框图如下


该方案设计注意事项以及讲述
T压力传感器将重量、轮胎气压、级别、外力、流量等物理值转换为 mV/V 范围内的差动信号,并被称为金属厚膜、陶瓷或压阻式传感器。大部分的设计人员使用经济高效的压电传感器 (25mbar - 25bar),它们是非线性传感器,对温度具有依赖性并且具有大偏移和失调漂移,并且需要注意电子校准和补偿。
传感器信号调节 - 执行所有必需的功能来校准、补偿温度变化、调节,并使传感器信号线性化。德州仪器(TI)日的Burr-Brown产品线的数字化可编程模拟信号调节器,其设计用于压力桥接传感器。该款高度集成的电压输出集成电路(IC) PGA309AIPWR  拥有放大、数字校准以及误差补偿等功能,可使系统性能越来越接近于传感器所固有的可重复特性。
PGA309AIPWR可以放大低级桥接传感器信号,并为应用压力所产生的传感器零点、零点漂移、跨距、跨距漂移以及线性误差提供数字校准功能。校准是通过单线或双线串行接口来执行的。校准参数(多达17个不同的温度校准点,可进行线性插值)均存储在外部非易失存储器中(通常为低成本的SOT23-5 EEPROM),这可避免手动微调并确保长期的稳定性。
PGA309包括放大信号路径(低噪声、低漂移、自动零点可编程增益仪表放大器)、失调与失调漂移调节、跨距与跨距漂移调节、集成温度传感器、参考电压、桥接激励与线性化、传感器故障检测、上电复位与数字接口。PGA309具有广泛的工作温度范围(-40℃~+125℃)、内部/外部温度传感选择、上限/下限比例调节、内部/外部参考选择以及+2.7V~+5.5V的工作电源等特性。
大多数传感器系统的设计会涉及了解传感器特性、选择拓扑和确定系统输出目标规格。通常,设计师的大量时间花在选择组件值和使电路设计更改符合系统设计目标上。  
对于 PGA309 和 PGA308 ,德州仪器 (TI) 可提供基本电路拓扑以满足最常见的客户需求。通常仅需进行很小的数值更改便可使用这些拓扑。信号调节桥传感器所需的主要调整是在校准过程中自动完成的。例如,PGA309 增益、偏移、温度漂移校正和线性度校正均在校准过程中由软件自动调整。进行校准调整无需了解传感器特性。传感器的跨距、偏移和漂移是在校准过程中自动确定的。   
此压力传感器设计部分将展示如何选择基本拓扑、如何按需调整数值以及介绍如何校准操作。
拓扑:
以下所示为三线电压输出拓扑。在三线模块中,电压输出和数字校准输入为多路复用。器件校准后,便不再需要数字输出;器件可用作独立模拟块。如有必要,甚至无需重新校准器件。重启后即可立即建立通信。如在重启后的 15mS 内未建立通信,将禁用数字输出,启用模拟输出。

下图显示了典型压力传感器的机械视图。请注意,传感器模块密封在金属盒中。此模块称为三线模块,因为只有电源、输出电压和接地引脚电子连接。  

以下为四线电压输出传感器模块。在此模块中,模拟电压输出信号和数字输出采用独立的导线。此模块的连接为电压输出、数字 I/O、电源和接地。




模拟/数字处理  有两种方法可以转换并使传感器信号线性化。模拟技术可以实现模拟解决方案并提供模拟输出。该技术经济实惠且简单快捷,但限于最大为 11 至 16 位的分辨率之内。数字更精确(高达 24 位),数字输出速度中等。
提供高度集成的解决方案,例如专为电桥压力传感器设计的 PGA309,它由使用自动置零技术的高精度、低漂移、可编程增益仪表放大器组成,并且包含可编程故障监视器和上限/下限比例限压器。PGA309 还提供数字温度补偿电路。建议用于压力传感器调节的其它最低噪声放大器和仪表放大器包括 OPA227UA/2K5、OPA2132UA/2K5  
、INA118P、INA122 和INA326EA/2K5。 运算放大器OPA333AIDBVR  零漂移 5V运算放大器



具有集成 ADC 的微处理器 - TI 的 MSP430F6638IPZR 是 ULP MCU(具有 ADC12 和 18KB RAM)通用解决方案、片上 12 位 ADC 与 MSP430F5172IRSBR 是具有广泛的集成工业应用外设及 DDR2 存储器支持不同的通信标准。MSC1211Y5PAGT一款功能强大的带24位Σ-Δ A/D转换和16位D/A转换的微处理器。MSC1211Y5PAGT 可直接接收来自传感器的微弱信号且集成度高、体积小,因此,采用MSC1211Y5PAGT构成智能压力传感器可大大简化系统结构。同时,充分利用各种软件功能,可以完成硬件难以完成的任务,从而降低传感器制造的难度,提高传感器性能并降低成本。
MSP430与MSC12xx 集成微处理器解决方案允许定义滤波器和重要压力级别的阈值。它们通常通过 RS-485 数字接口或 CAN 传送回中央站点,以便于记录和操作员复查。
此外,ADS1256IDBR 是具有 18 至 24 位分辨率(运行于单路 +5V 电源)的精密、广泛动态范围、Δ-Σ 模数 (A/D) 转换器。Δ-Σ 架构支持宽动态范围并保证无丢失码。它们是为心脏病诊断、智能发送器、工业过程控制、秤重等高分辨率测量应用而设计的。
时钟 - CDCE913PWR和 CDCE937PWR时钟系列是基于 PLL 的低成本、高性能、模块化可编程时钟合成器、乘法器和除法器。它们最多可从单输入频率中生成 9 个输出时钟。借助独立的可配置 PLL,可在系统内针对任何时钟频率(最高可达 230MHz)对每个输出进行编程。
接口/连接
传统模拟 (4 - 20mA) 和 RS-232/RS-485 接口一直是工业控制和传感器应用的常见选择。展望未来,设计人员将在其产品中集成主流有线接口,如以太网、USB 和 CAN。此外,ZigBee、蓝牙和其他低功耗无线协议等无线选项也越来越流行。TI 致力于同时为传统和新兴工业接口提供解决方案。例如,TI 最近推出了全世界首款隔离式 CAN 收发器 ISO1050DUBR。RS-485  ISO3088DWR 全双工/半双工 5V 收发器 。4-20mA 发送器XTR115UA/2K5 4-20mA 电流环路发送器(具有传感器激励电压)低 Iq、低功耗、优异的线性度、宽电源范围(高达 36V)
电源解决方案  
环路/输电线供电解决方案:TPS54062DGKR具有 4.7V 至 60V 输入、50mA 同步降压转换器低 Iq、集成高/低侧 MOSFET、借助陶瓷输出电容器或低成本铝电解电容器实现稳定
电源解决方案:模块 DCR010503U/1K具有隔离式 POL 模块:5V、12V、24V 输入3.3V、5V 输出IW
高效率、高准确度、低输出噪电池供电解决方案:TPS63002DRCR适用于
2/3 碱性电池、镍镉或镍氢电池、单节锂离子或锂聚合物电池的降压/升压转换器解决方案。高效率、低 Iq 可调节输出电压
工业线性稳压器: TPS7A3001DGNR 输入电压 -3V 至 -36V、-200mA 低压降线性稳压器超低噪声、高 PSRR、负电压轨运算
LDO 非常适合低噪声、低功耗放大器和数据转换器,因为它们提供可实现更高信号保真度的低纹波电源轨。REF31xx 系列像REF3025AIDBZRG4是以小型 SOT23-3 封装形式提供的精密的低功耗、低压降串联电压基准。REF31xx 无需负载电容器,但可借助任何电容负载实现稳定,并且可以吸入/输出驱动高达 10mA 的输出电流。
  
返回列表