基于AT89C58和PGA309的传感器信号校准系统设计

摘 要： 为解决压力测量系统中应变桥式传感器的温度漂移和非线性等问题，设计了基于AT89C58和PGA309的传感器信号校准系统。PGA309是一种可编程信号调理芯片，主要用于应变桥式压力传感器，将微弱的传感器信号进行放大输出并进行校准。通过介绍系统结构及PGA309调理芯片的内部功能模块，并结合传感器的理论数学模型，详细分析了PGA309对传感器非线性、温度漂移的补偿算法。AT89C58作为微控制器，结合软件编程、外设等实现了对核心补偿器件PGA309的寄存器设置与校准控制。

关键词： PGA309； 桥式压力传感器； 线性化； 温度补偿

中图分类号： TN710?34； TP911 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）07?0119?04

0 引 言

近年来，传感器信号调理技术发展迅猛，向着集成化、小型化、智能化和数字化方向发展。而由于制作材料、工作原理、制作工艺、环境等因素的影响，导致传感器直接输出的信号中存在非线性、零点温度漂移、灵敏度温度漂移等问题，测量结果会出现较大误差，因此，对于应变测量电路，温度补偿措施显得非常重要[1]。为了获取有用的信号，在实际应用中信号调理器常常被放置在压力传感器中，以补偿传感器在不同温度下的误差。

在充分研究传统补偿技术的基础上，针对应变式传感器，基于AT89C58和PGA309设计了一款应变桥式压力传感器信号校准系统。其中，TI公司生产的信号调理芯片PGA309为信号调节单元，AT89C58为系统微控制器。PGA309是一个全信号调节器，相比于工业和过程控制中采用热敏电阻或者其他补偿电路，PGA309的误差小、功能更强大，而且集成度高，可对传感器信号进行放大、线性化和温度补偿等，将误差减小到接近桥接传感器所固有的重复特性，赋予了传感器产品真正的可互换性[2]。

1 校准系统总体结构设计

1.1 校准系统框图设计

校准系统主要由微控制器AT89C58、信号调节芯片PGA309、A/D采集电路、液晶显示电路、电源电路等构成。微控制器通过串口与PGA309单线数字接口PRG（UART可兼容型）相连，实现对PGA309内部寄存器数据进行访问和编程，并结合液晶显示和键盘操作完成整个校准和温度补偿过程；PGA309利用双线制数字接口SDA（数据线）和SCL（时钟线）对外部E2PROM数据进行存取访问，外部E2PROM存放PGA309的配置信息及温度补偿系数查询表[3]；ADC采集PGA309输出信号，并送于AT89C58进行数据运算处理[4]。校准系统组成框图

1.2 PGA309功能概述

PGA309是小型可编程的模拟信号调节器，内部包含电压基准、可编程传感器激励、数据通信接口以及温度检测模块等。

校准系统组成框图

PGA309提供电压基准VREF及传感器电桥激励电压VEXC。为简化电路和使用PGA309内部的线性化功能，本设计选用PGA309提供的精密、低漂移电压基准VREF（4.096 V），并以VEXC作为传感器电桥激励源。

PGA309有两种类型的数字接口。一种是单线数字接口PRG（UART可兼容型），与外部控制器进行数据交换，其比特率为4.8～38.4 Kb/s ；另外一种是符合工业标准的双线制数字接口SDA（数据线）和SCL（时钟线），与外部E2PROM进行数据通信。

PGA309共有三级信号放大及两级零点漂移补偿功能[5]，

PGA309放大及偏差补偿通道

首先，利用带正负的4位ADC和前置放大器（增益范围最大为4～128倍）对输入的微弱传感器信号进行粗略偏移调整和初级放大，前置放大器为带有自动归零的三运算仪表放大器，有效地限制了噪声和共模电压信号[6]；再经过16位的零点DAC和增益DAC（增益可调范围0.333 3～1倍）分别进行零点温漂校正和精确增益调整，同时对温度漂移进行了补偿，零点DAC和增益DAC的输出值是根据温度传感器测量到的温度值，通过查表获取相应系数计算得到的；第三级放大也称为输出放大器增益（增益调整范围2～9倍）。信号放大电路提供的总增益范围为2.7～1 152倍，并完成了对传感器输出信号的零点补偿和温度补偿。

为实现对PGA309的控制与设置，需将测试引脚（TEST）接高电平。选择要配置的寄存器，通过微控制器AT89C58及键盘、显示等外设对PGA309进行寄存器配置。然后按照校准过程和步骤调整压力，获得的数据进行补偿算法处理，解算出线性化及温度补偿系数，写入PGA309对应的寄存器或外部E2PROM中，从而完成对压力传感器的校准。

2 PGA309补偿原理分析

2.1 传感器数学参考模型

对于大部分的桥式压力传感器而言，压力非线性通常为二阶，且在测量量程的中间点附近时误差最大。零点和满量程点同样存在偏差，并且受温度变化的影响；在温度不变的情况下激励压力也会导致明显的非线性输出。合理的数学模型可以有效的补偿非线性和温度漂移引起的误差，故首先应建立传感器的理论数学模型[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）

对于式（1），只要按照表1测出7组不同温度力下的实验数据，结合PGA309具体的配置根据式（2）可反解出电桥端的输出值KBridge（P，T）。

标定数据记录表

[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 线性化校准算法

PGA309内部有一条专用于传感器电压激励和线性化的电路。利用线性化环路，引入一定比例的输出反馈电压信号，动态的改变激励电压的大小，来补偿桥式传感器的输出相对于压力的弓形非线性曲线，进而使输出电压尽可能与理想线性曲线相吻合。随着加工工艺的日臻完善，应变桥式传感器的非线性已有很大提高，一般只需要简单的反馈进行修正就够了[8]。

由线性化环路可得：

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

引入反馈后的激励电压为：

[VEXC=（VREF?KREF+VOUT?KLIN）] （4）

代入式（3）中则有：

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

故输出电压的表达式为：

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

式中：KBridge（P，T）是传感器输出信号，对反馈系统来说属于输入量；VREF，KREF是参考电压及相应的系数，为固定常数；Gain，Voffset_correction为增益放大系数和零位补偿电压，当温度确定后其值也是固定的，PGA309在进行非线性补偿的时候不考虑温度影响，即假设温度不会对传感器线性产生影响，所以Gain和Voffset_correction也是常数；因此，对整个补偿系统来说，系数KLIN将决定最终的补偿效果。在PGA309中，KLIN是利用内部7位DAC来实现的。

对于应变桥式压力传感器，当输入压力在满量程半左右的时候，非线性最严重，因此合理的KLIN需要利用中间点压力情况下的系统输出来计算，其目的是当压力为中间点时，输出的误差为零[9]，中间点压力计算KLIN的最终简化公式为：

[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为室温下传感器压力中点的非线性，通过零点、中间点及满量程点传感器输出求得；VOUT_MAX为PGA309最大输出；VOUT_MIN为PGA309最小输出；KLIN根据中间点误差得到。根据反馈的原理，当传感器的输出KBridge（P，T）有正的偏差的时候，反馈系统的输出VOUT相对输入KBridge（P，T）而言产生负的偏差，所以总的偏差将被抵消。

2.3 温度漂移补偿算法

PGA309对温度漂移误差的补偿是通过线性内插算法实现的[10]。在工作温度范围内，将温度分为17段并相应建立一组温度/DAC值（增益DAC和零点DAC）的温度标准点，这些点就是温度补偿查询表的索引值；在温度ADC进行采样输出结果后，查询该输出所在温度索引值区间，根据线性内插原理，获得与温度对应的零点DAC和增益精调DAC的值，进而调节PGA309的输出，达到温度补偿的效果。温度漂移补偿算法的实现，首先要建立温度补偿系数查询表。根据传感器数学模型，当压力为零或者最大时，分别求出桥式传感器对应的零点漂移曲线和灵敏度漂移曲线，计算公式为：

[KBridge（P，T）=n0+n1T+n2T2] （9）

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

由式（9）、式（10）计算出不同温度下的零点漂移曲线和灵敏度漂移曲线，结合期望输出范围解算出零点DAC和增益精调DAC的值，再根据线性内插算法建立17个点的温度补偿系数查询表。温度补偿过程是通过对温度索引值的查询比较完成的，故每次补偿首先进行温度的采样。

增益DAC计算逻辑图

所示，T0，T1，…，T7为温度索引值，G0，G1，…，G7是在相应温度T0～T7下对增益DAC的期望设置值，GM1～GM7是分段线性曲线的斜率。

若PGA309带有内插演算法的查询逻辑正常工作时，且当温度ADC进行转换后，PGA309会对整个外部E2PROM进行读操作，将随温度变化而开始对增益DAC进行连续的计算；在读取到每个温度索引值（TX）时，将其与Tread （当前温度ADC的转换结果）相比较，若TX>Tread，则说明Tread 在TX-1和TX之间。在图3中，这种情况在读T7时发生，累加器GAC6 （读取T6的GAC）的内容通过加上（Tread-T6）[?]（GM7）来修改，所得结果GAC_ADCread是Tread=25 ℃时对增益DAC的线性内插设置值。

对零点DAC的比例系数算法与增益DAC相同，也用于温度补偿；经过补偿后的传感器精度大大提高，具体的补偿算法流程图

补偿算法流程图

3 校准系统工作流程及实验结果

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传感器校准设备，在特定的压力和温度条件下进行校准，生成温度补偿系数查询表以及内部寄存器配置数据。为了使配置参数在温度变化时不超出设置范围，对PGA309增益的分配及零位的调节应遵守以下两点原则：

（1）将精细增益初始值设置为中间值（0.667），预校准后则接近中间值。

（2）适当选取粗略偏移调整值和前端增益，使得零点DAC输出值在预校准后接近调节范围中间值（2.5 V）。

根据增益分配及零位调节原则、温度补偿原理和线性化校正原理，制定校准系统工作流程[3]

系统工作流程图

在-24.7 ℃，25.2 ℃，50.4 ℃下测得7组数据见表2，求出传感器数学参考模型，再设置17个温度索引值，结合模型解算出温度对应的零点DAC和精细增益DAC数值，生成温度补偿系数查询表，完成对传感器非线性、零点漂移和灵敏度漂移的校准。

实验数据记录表

[温度 /℃＼&压力/FS%＼&校准前

VOUT /V＼&误差 /%＼&校准后

VOUT /V＼&误差 /%＼&-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 结 语

针对传感器普遍存在着非线性及温度漂移等问题，本文基于AT89C58和PGA309设计了一款压力传感器校准系统。通过对PGA309内部模块的介绍，特别是对温度补偿和非线性补偿原理的分析，并结合实验数据分析可知，压力参数测量精度较高，从而极大改善了压力传感器的温度性能及非线性，实现对传感器信号的有效补偿。

参考文献

[1] 王俊杰，曹丽.传感器与检测技术[M].北京：清华大学出版社，2011.

[2] 王骏，高迎燕.PGA309补偿原理分析及改进方案[J].自动化仪表，2006，27（7）：11?15.

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[6] 纪建伟.传感器与信号处理电路[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

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[9] 龚绿绿.基于PGA309实现的高精度压力变送器[D].沈阳：沈阳工业大学，2007.

[10] 何金田，刘晓.智能传感器原理、设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2012.