CN101429865A - 一种内置参数的校准模拟传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种内置参数的校准模拟传感器的方法，包括下列步骤：主机通过与EEPROM芯片通信，发出脉冲(复位脉冲)唤醒该芯片，即复位EEPROM芯片。EEPROM芯片被主机的复位脉冲复位后会在120us内产生一个应答脉冲，让主机确认。主机收到应答信号后，如显示EEPROM芯片在线且处于空闲状态就能进行下一步通信。如能够正确地发送复位脉冲和接收应答脉冲就可发送数据。主机通过将IO1设置为高阻输入状态断开上拉电阻R2结束通信，这样压力传感器就可进行模拟信号传输，实现一线两用目的。校准也通过上述通信方式完成，初次校准在校准台上进行。压力传感器在进行作业压力采集时如产生误差，可通过主机进行线性误差修正。

Description

一种内置参数的校准模拟传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种内置参数的校准模拟传感器的方法，适用于石油钻井行业的钻井液压力实时检测与校准。

背景技术

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、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。在石油钻井过程中通过使用压力传感器来测量钻井液产生的压力，可以实时观察钻井液的压力。目前使用广泛的的电子压力传感器是通过4-20ma电流信号输出或电压信号输出的方式测量震动环境中液体压力参数。如果使用环境的恶劣，电子压力传感器由于长期处于震动环境中造成线性不准和零点漂移的问题而又不能及时进行在线校准，机械压力传感器也容易由于震动而损坏。一旦损坏或者不准，现场又没有可更换的备用压力传感器，而无法继续钻井作业。

通常压力传感器是由压力敏感元件和信号处理电路两部分组成，敏感元件用来采集当前的压力信号，处理电路完成压力信号校准放大输出等任务，传感器在出厂之前必须进行线性修正和零点补偿，一旦传感器在用户手中使用后就不能在用户那里进行现场校准，需要拿回厂家进行校准。校准时一般都需要对传感器内部校准芯片进行通信这样就不可避免的使用数据线进行通信。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种内置参数的校准模拟传感器的方法，用于现有技术无法解决的问题。

本发明的技术解决方案是在模拟信号采集的压力传感器上使用模拟信号线作为数据线，做到一线两用的目的。通过使用普通的仪表放大器作为压力传感器敏感元件的信号的放大输出。使用一个EEPROM芯片(1-Wire^？EPROM芯片)存储主机传送过来的校准系数和系统参数。因为使用的是1-Wire^？单总线的芯片来传输数字信号，所以可以共用传感器的模拟信号输出线。为了实现数字信号与模拟信号在同一条线上进行分时传输必须与主机配套使用，这是因为如果没有主机则传感器一直输出的是模拟信号且输出值是没有校准的原始信号经过仪表放大器后的输出信号。压力传感器与主机配合使用，主机读取传感器存储的校准值与补偿值，然后按照计算公式进行修正最后主机将处理过的压力信号通过无线发送给主控制器。

按照1-Wire^？单总线通信要求在通信线上必须接一个上拉电阻R2。当数字信号1时需要上拉电阻R2来提供，数字信号0则需要主动方提供，因此这里的R1，R2的阻值选择要讲究，信号线上出现1信号时电阻R1，R2会分压数字信号1(高电平)所以R1的阻值与R2阻值之比大于10：1。

选择R1＝5.1K；R2＝510；因此当电源电压为3.3V时高电平被分压的后的电压VTH＝3.3V×(5.1K/5.61K)＝3V；满足芯片DS2431的TTL电平的高电平阀值。

使用仪表专用放大器AD623芯片将压力敏感元件产生的信号放大到0-3V之间的倍数，由于传感器敏感元件的本身的分散型，因此经过放大后的信号也不一致，因此需要校准。校准方法是主控制系统上位机软件控制传感器主机来实施，采用二次曲线方式用最小二乘法进行修正。将修正后的系数保存在传感器的EEPROM芯片内，然后主机每次通信前读取系数按照公式对压力传感器输出的信号进行修正然后传送给主控制器。

本发明EEPROM芯片与信号数据线的连接方式，严格遵守1-Wire标准协议。EEPROM芯片需要严格的协议来保证数据完整性，该协议在一根线上定义了四种类型的信号，包括：

复位脉冲和应答脉冲的复位序列，写0，写1，和读数据。除应答脉冲外，总线主机发出所有其它信号的下降沿。为了传输模拟信号不会受到数字信号的影响，上拉电阻R2需要使用开关，当进行数字信号通信时开关闭合接通电源正极实现上拉功能此时给EEPROM芯片供电，然后开始按照1-Wire^？标准协议通信，当要进行模拟信号输出是R2上的开关要断开这样经过AD623放大后的模拟信号会经过R1传给主机，让主机进行AD转换，而断开的R2不会对模拟信号产生任何影响。开关这里使用主机上的MCU的一个IO口来控制即可。主机非常灵活的控制传感器，当进行数字信号通信时接通上拉电阻R2，当进行AD采集时则关闭上拉电阻。

本发明优点在于：

1、一旦传感器使用过程中零点漂移或者线性不准能够通过主机人为参与及时进行补偿，将传感器采集的信号修正过来，达到在线校准，这样不会耽误现场使用提高了工作效率。

2、为了实现数字信号的传输本传感器没有额外增加用于通信的数据线，而是直接使用传感器自身的模拟信号输出口线，同时又不影响模拟信号的输出。

附图说明

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细说明。

图1为现有压力传感器通信方法原理架构图；

图2为本发明一种内置参数的校准模拟传感器的方法，在压力传感器模拟信号输出线上进行数字信号通信传输及与主机通信原理电路图；

图3为本发明通信时复位与应答脉冲波形时序；

图4为本发明通信时的主机写1波形时序；

图5为本发明通信时的主机写0波形时序；

图6为本发明主机读取数据波形时序。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

首先，参照图1，现有压力传感器通信方法原理架构图，在仪表放大器U1输出端串接一个电阻R1作用是当进行数字信号通信时模拟信号不会造成影响。然后单总线芯片U2直接挂接在信号线上。

参照图2，本发明一种内置参数的校准模拟传感器的方法的流程步骤如下所示：

步骤1：主机与EEPROM芯片通信开始首先要唤醒该芯片，唤醒方式就是按照附图2主机首先用IO2口发送一个低电平，持续时间600us然后IO2由输出低电平状态改为高祖输入状态，因为有R2电阻作为上拉所以数据线变为高电平，这个过程叫做唤醒所发出的脉冲叫做复位脉冲就是复位EEPROM芯片。复位脉冲见附图3前半部分。

步骤2：当EEPROM芯片被主机的复位脉冲复位后会在120us内产生一个应答脉冲，即产生一个持续30us的低电平信号，让主机确认。主机收到应答信号显示EEPROM芯片在线且处于空闲状态可以下一步进行通信了。应答脉冲信号见附图3后半部分。

步骤3：能够正确地发送复位脉冲和接收应答脉冲后就可以发送数据了。数据按照每个字节8位来传输发送首先发送低位。发送位bit＝1则按照附图4波形来发送，首先发送一个低电平持续15us然后是高电平持续时间45us；如果发送位bit＝0则按照附图5波形来发送，首先也发送一个低电平但是持续45us然后高电平持续时间15us。

步骤4：读取数据，主机读取EEPROM芯片的存储器内容时首先发送一字节读取指令告知EEPROM芯片，发送完读取指令后即发送完最后一位后持续100us主机按照附图6波形来发送，首先发送一个低电平持续15us然后IO2由输出状态改为输入状态靠上拉电阻R2来维持高电平如果EEPROM芯片向主机发送bit＝1则在45us内不发送低电平。如果EEPROM芯片发送bit＝0则必须在45us内发送低电平且持续15us。主机需要在这45us内监测通信线上的电平状态以确认EEPROM芯片发送的是0还是1。

步骤5：由于传感器内的EEPROM芯片采用一线通信即电源供电及通信使用同一根线，所以如果结束通信则主机只需要断开上拉电阻R2可通过IO1设置为高阻输入状态即可。这样传感器就可以进行模拟信号的传输了。

校准使用主机通过此通信方式来完成，采用二次曲线拟合方法使用最小二乘法计算二次曲线的校准系数，初次校准是在校准台上进行。

二次曲线公式：

Y0＝a×X²+b×X+c；

这里Y0表示修正后的输出值，X为采集到的原始模拟信号值，a，b，c为所要修正的校准系数。

在校验台上进行使用活塞式压力计，首先要标出额定压力值即压力计上的砝码值，作为Y0，采集的AD值作为X值，取3次不同的压力值这样解方程组来确定，a，b，c的系数值结果是浮点数。

为了减少误差所以采用最小二乘法来取3次不同的压力值平均值。

压力传感器在使用现场用过一段时间后如果担心不准则可再安装一个压力传感器作为参考，同样按照上面的校准方式通过主机在主控制器的操作下进行现场在线校准。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及方法；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1. 【权利要求1】一种内置参数的校准模拟传感器的方法，其中包括：

   主机通过与EEPROM芯片(1-Wire？EEPROM芯片)通信，唤醒该芯片，也就是复位EEPROM芯片；EEPROM芯片被主机的复位脉冲复位后，会在120us内产生一个应答脉冲，让主机确认；

   主机收到应答信号显示EEPROM芯片在线且处于空闲状态就可以进行下一步通信了。如果能够正确地发送复位脉冲和接收应答脉冲后就可以发送数据了。
2. 【权利要求2】如权利要求1所述的方法，在模拟信号采集的压力传感器上使用模拟信号线作为数据线，做到一线两用的目的。
3. 【权利要求3】如权利要求1所述的方法，通过使用普通的仪表放大器作为压力传感器敏感元件的信号的放大输出。
4. 【权利要求4】如权利要求1所述的方法，为了实现数字信号与模拟信号在同一条线上进行分时传输必须与主机配套使用。传感器必须与主机配套使用，数字信号的传输与模拟信号的传输在主机控制下采用分时复用方式，当主机要求进行数据通信是则传感器开始使用数字信号进行数据双向传输。
5. 【权利要求5】如权利要求1所述的方法，使用一个EEPROM芯片存储主机传送过来的校准系数和系统参数。
6. 【权利要求6】如权利要求1所述的方法，EEPROM芯片与信号数据线的连接方式，严格遵守1-Wire标准协议。
7. 【权利要求7】如权利要求1所述的方法，其中，所以如果结束通信，主机只需要断开上拉电阻R2，这样压力传感器就可以进行模拟信号的传输了。
8. 【权利要求8】如权利要求7所述的方法，主机断开上拉电阻R2的方法是通过IO1设置为高阻输入状态实现。
9. 【权利要求9】如权利要求1所述的方法，其中，校准使用主机与压力传感器上模拟信号线作为数据线通信方式来完成，初次校准是在校准台上进行。
10. 【权利要求10】如权利要求9所述的方法，压力传感器在进行作业压力采集时如果有误差，可以通过主机立即进行线性误差的修正。

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