CN101738210B - 同时支持电压及电流激励的电阻桥传感器测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种时支持电压及电流激励的电阻桥传感器测量装置及方法，该装置包括数据放大电路，输入端接有电阻桥式传感器，输出满足A/D转换电路要求的电压信号；A/D转换电路，将数据放大电路输出的电压信号、流过电阻桥的电流信号进行模数转换；主控电路，执行主控制程序，将A/D转换电路输出的数字信号进行处理，经修正的测量值按通讯协议输出至处于上一级的主板；方法包括：装置初始化；更新温度时限到，则读温度传感器数据，更新温度值；更新采集值时限到，更新采集值，切换到A/D输入；命令帧回答结束，取数据命令，则组织并发送数据；更新看门狗记数值，转至判断更新温度时限是否到步骤。本发明具有电压激励与电流激励兼容的特点，集成度高、功耗低。

Description

同时支持电压及电流激励的电阻桥传感器测量装置及方法

技术领域

本发明涉及传感器测量技术，具体地说是一种同时支持电压及电流激励的电阻桥传感器测量装置及方法。

背景技术

目前，电阻桥式传感器的测量方法繁多，其中激励方式可归纳为电压激励方式与电流激励方式两种，虽然两种激励方式在配合各自测量算法基础上都可达到满意的测量精度，但未见可同时使用两种激励方式的测量方法，给电阻桥传感器的应用带了不便。

发明内容

针对现有技术中电阻桥式传感器应用不便的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种同时支持电压及电流激励的电阻桥传感器测量装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种同时支持电压及电流激励的电阻桥传感器测量装置包括：

数据放大电路，输入端接有电阻桥式传感器，输出满足A/D转换电路要求的电压信号；A/D转换电路，将数据放大电路输出的电压信号、流过电阻桥的电流信号进行模数转换；主控电路，执行主控制程序，将A/D转换电路输出的数字信号进行处理，经修正的测量值按通讯协议输出至处于上一级的主板。

所述数据放大电路包括：

第1集成运算放大器，正输入端通过第1采样电阻接有传感器的一个输出脚，输出端接至A/D转换电路；第2集成运算放大器，正输入端通过第2采样电阻接有传感器的另一个输出脚，输出端接至A/D转换电路；第5采样电阻，设于传感器第4输出脚与参考地之间，传感器第4输出脚还与A/D转换电路的高阻抗输入端相连。

本发明一种同时支持电压及电流激励的电阻桥传感器测量方法包括以下步骤：

开始，对装置初始化；

判断更新温度时限是否到；

如果上述时限到，则读温度传感器数据，更新温度值；

判断更新采集值时限到否；

如果上述时限到，则读A/D转换器，更新采集值，切换到A/D输入；

判断命令帧回答结束否；

如结束，则判断是否取数据命令；

如果不是取数据命令，则判断是否写标定参数命令；

如是，则存储标定参数；

更新看门狗记数值，转至判断更新温度时限是否到步骤，循环进行。

如是取数据命令，则组织并发送数据；

更新看门狗记数值，转至判断更新温度时限是否到步骤。

所述标定参数包括以下步骤：

保持电阻桥传感器的零点，采集已知温度点环境中流经电阻桥的电流信号以及电阻桥测量电压信号的数字量；

运算出上述电流信号和电阻桥测量电压信号的数字量的商；

采集另一个温度点环境中流经电阻桥的电流信号以及电阻桥测量电压信号的数字量，得到另一个商；

利用两个商及已知温度点，得出温度系数并存储在存储器中。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.具有电压激励与电流激励兼容的特点。本发明装置中的A/D转换器在主控制程序的控制下，于电阻桥输出的电压信号和流经电阻桥的电流信号之间切换选择，定时读取A/D转换电路中的模数转换值，兼有电流激励方式和电压激励方式，使电阻桥式传感器的应用变的更加灵活、简单；

2.集成度高、功耗低。本发明装置中的A/D转换功能使用单通道22位模数转换器，测温功能使用单片集成电路；整体工作电源为3.3VDC，最大工作电流2.5mA。

3.应用广泛、社会效益显著。本发明适用于各种测量现场，使用本发明的产品可适用于绝大多数电阻桥传感器。

附图说明

图1为本发明装置电路结构图；

图2为本发明装置中的数据放大电路原理图；

图3为本发明装置中的A/D转换电路原理图；

图4为本发明装置中的主控电路原理图；

图5为本发明主控制程序流程图；

图6为本发明串口接收中断服务程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，同时支持电压及电流激励的电阻桥传感器测量装置包括数据放大电路、A/D转换电路及主控电路三部分电路，其中，数据放大电路的输入端接有电阻桥传感器，输出满足A/D转换电路要求的电压信号；A/D转换电路将数据放大电路的与测量量成函数关系的输出电压信号、流过电阻桥的电流信号进行模数转换；主控电路执行主控制程序，将A/D转换电路输出的数字信号进行处理，得到经修正的测量值，按通讯协议输出至处于上一级的主板。

本实施例以压力测量为例，传感器接线端子JP1共有四个接线端，分为两组，一组连接电阻桥压力传感器的电源线，为电阻桥传感器提供电源；一组接电阻桥传感器的信号线，为数据放大电路引入模拟电压信号。电阻桥压力传感器的工作电源经接线端A1、A4连接本装置的工作电源，数据放大电路经过接线端A2、A3连接电阻桥传感器信号输出端；主板接线端子JP2共有四个接线端，同样分为两组，一组连接主板为本发明装置提供电源，一组接主板的信号线，为本发明装置与主板提供3.3V RS232链路连接。工作电源经过接线端B1、B4接主板提供的外部电源，为本发明装置提供稳压后的直流电源，3.3V RS232链路经接线端B2、B3连接主控电路与主板；电阻桥传感器产生的同测量量成函数关系的模拟电压信号经数据放大电路处理后传输给A/D转换电路；A/D转换电路将处理后的模拟信号进行数字化转换；主控电路读取转换后的数字量并处理，主控电路将处理后的数字量及环境温度通过3.3V RS232链路送给具有相同接口协议的主板。

如图2所示，所述数据放大电路包括：第一集成运算放大器U1、第二集成运算放大器U8、第一～三采样电阻R1～R3、第五采样电阻R5、第一、二滤波电容C1、C2、第十滤波电容C10、第三退耦电容C3、第一退耦电解E1、第四退耦电阻R4、第六、七反馈电阻R6、R7以及第六、七反馈电容C6、C7组成。电阻桥传感器的信号正极经传感器接线端A2接第一采样电阻R1，电阻桥传感器的信号负极经传感器接线端A3接第二采样电阻R2；采样电阻R1与滤波电容C2组成低通滤波器，采样电阻R2与滤波电容C1组成另一组低通滤波器，电阻桥传感器的模拟电压信号经过两组低通滤波器后输入到第一、二集成运算放大器U1、U8的正相输入端，集成运算放大器U1与反馈电阻R6、反馈电容C6接成比例运算电路，集成运算放大器U8与反馈电阻R7、反馈电容C7接成另一组比例运算电路，采样电阻R3为两组比例运算电路共用。经低通滤波后的信号由两组比例运算电路处理后送A/D转换电路的AIN+、AIN-管脚。第5采样电阻R5设于传感器第4输出脚A4与参考地之间，传感器第4输出脚还与A/D转换电路的高阻抗输入端相连；采样电阻R5与滤波电容C10将流经电阻桥的电流信号转换成电压信号送A/D转换电路VREF输入端，退耦电阻R4与退耦电容C3、退耦电解E1为两组比例运算电路电源滤波。

如图3所示，所述A/D转换电路包括：A/D转换器U2，四路模拟开关U12，第二退耦电解E2，第四退耦电容C4，第八退耦电阻R8组成。模拟开关U12的第一、二路分别接数据放大电路的AIN+、AIN-管脚及A/D转换器U2的模拟输入端VIN+、VIN-，模拟开关U12的第三、四路分别接数据放大电路的第五采样电阻R5、工作电源地及A/D转换器U2的模拟输入端VIN+、VIN-。主控电路通过模拟开关U12的四个控制端控制模拟开关的闭合与断开，当第一、二路闭合，第三、四路断开时，A/D转换器转换经放大后的电阻桥测量电压信号，当第一、二路断开，第三、四路闭合时，A/D转换器转换流经电阻桥的电流信号。本实施例中A/D转换器采用22位高精度模数转换器，每秒可完成13次模数转换，A/D转换器的数字接口为标准的SPI接口，主控电路可通过SPI接口读取每次的转换值。退耦电容C4、退耦电解E2、退耦电阻R8、退耦电阻R5为A/D转换器U2提供稳定的参考电压源。

如图4所示，主控电路包括微处理器U5、测温电路U6、存储器U3、主板接线端子JP2，其中微处理器U5采用MSP430F123，微处理器U5通过SPI接口接入A/D转换器U2；微处理器U5通过SPI接口接入测温电路U6；微处理器U5的RS232数据端经主板接线端子外接主板。

微处理器U5存储并执行主控制程序，控制模拟开关U12以使A/D转换器U2在电阻桥输出的电压信号、流经电阻桥的电流信号之间切换选择，定时读取A/D转换电路中的模数转换值，及测温电路中的温度值。微处理器U5中集成有3.3V RS232链路，在主控制程序的控制下与主板通过协议将采集值、温度值送出。当微处理器U5选择电阻桥输出的电压信号时，从A/D转换器U2读出的即为电压激励方式测量的数字信号。

如图5所示，本发明装置通过运行主控制程序来实现其控制方法，具体为：

对装置初始化，包括对微处理器U5内各模块的I/O端口、寄存器、定时器、3.3V RS232链路、看门狗进行初始化，定时器置成增计数方式；装载全温度段全量程标定参数，且初始化温度传感器、A/D转换器，设定工作初始条件，如更新温度的时间间隔、读取A/D转换值的时间间隔、模拟开关U12的初始通断状态等；

判断更新温度时限到否，时限到则读温度传感器并更新温度值；

读温度传感器并更新温度值后或者上述判断更新温度时限未到，均进入判断更新采集值时限到否步骤，时限到则读A/D转换器并更新采集值，并切换模拟开关的通断，使A/D转换器的输入换到另一模拟信号；

切换A/D输入后或者上述更新采集值时限未到均进入判断命令帧回答结束是否步骤，若帧回答结束则判断是否取数据命令，是则取数据命令，组织并发送数据；

更新看门狗计数值，接续判断更新温度时限是否到步骤，循环进行；

若不是取数据命令，则判断是否为写标定参数命令，若是则存储标定参数，接续更新看门狗计数值；若不是则直接更新看门狗计数值后返回判断更新温度时限是否到步骤。

所述标定参数包括以下步骤：

保持电阻桥传感器的零点，采集已知温度点环境中流经电阻桥的电流信号以及电阻桥测量电压信号的数字量；

运算出上述电流信号和电阻桥测量电压信号的数字量的商；

采集另一个温度点环境中流经电阻桥的电流信号以及电阻桥测量电压信号的数字量，得到另一个商；

利用两个商及已知温度点，得出温度系数并存储在存储器U3中；

所述读A/D转换器并更新采集值包括以下步骤：

通过实际测量的温度值修正上述温度系数；

利用修正后的系数修正A/D转换器输出的数字量。

电流激励方式的优点在于当温度变化时，电阻电桥的输出电压信号近乎不变。在实际测量中，当微处理器U5选择流经电阻桥的电流信号时，A/D转换器可读到随温度变化流经电阻桥的电流信号；在传感器标定过程中，保持电阻桥传感器的零点，采集已知温度点环境中流经电阻桥的电流信号、电阻桥测量电信号的数字量，运算出它们的商，换一个温度度点得到另一个商，使用两个商及已知的温度点运算出一个系数，并存储在存储器U3中。实际测量时用测温电路U6的温度值修正这个系数，再用修正后的系数修正读到的电阻桥测量电信号的数字量，同样达到了电流激励的效果。

如图6所示，串口接收中断服务程序流程为：

首先判断是否已接收到帧起始字，未接收到帧起始字时，判断接收的字是否为帧起始字，不是帧起始字执行中断返回，否则置帧起始字已接收位，执行中断返回；

已接收到帧起始字时，将接收到的字送入串口缓冲区；

再判断按长度要求是否接收满，未满时中断返回，满时对接收帧进行校验，如接收帧通过校验时置运行状态位，再发命令回答帧，最后执行中断返回；若没有通过校验，则置通信帧错误位，再发命令回答帧，最后执行中断返回。

3.3v RS232链路工作在主从式半双工通信方式，当主板有取数据命令帧时，本装置在确认接收到的帧正确后组织实时数据发给主板。

Claims (1)

1.一种同时支持电压及电流激励的电阻桥传感器测量方法，其特征在于包括以下步骤：

开始，对装置初始化；

判断更新温度时限是否到；

如果上述时限到，则读温度传感器数据，更新温度值；如果上述时限未到，则直接进行下一步；

判断更新采集值时限到否；

如果上述时限到，则读A/D转换器，更新采集值，切换到A/D输入；

如果上述时限未到，则直接进行下一步；

判断命令帧回答结束否；

如结束，则判断是否取数据命令；如未结束，则更新看门狗记数值，转至判断更新温度时限是否到步骤，循环进行；

如果不是取数据命令，则判断是否写标定参数命令；如果是取数据命令，则组织并发送数据，更新看门狗记数值，转至判断更新温度时限是否到步骤；

如是写标定参数命令，则存储标定参数；如不是写标定参数命令，则更新看门狗记数值，转至判断更新温度时限是否到步骤，循环进行；

更新看门狗记数值，转至判断更新温度时限是否到步骤，循环进行；

所述存储标定参数包括以下步骤：

保持电阻桥传感器的零点，采集已知温度点环境中流经电阻桥传感器的电流信号以及电阻桥传感器测量电压信号的数字量；

运算出上述电流信号和电阻桥传感器测量电压信号的数字量的商；

采集另一个温度点环境中流经电阻桥传感器的电流信号以及电阻桥传感器测量电压信号的数字量，得到另一个商；

利用两个商及已知温度点，得出温度系数并存储。

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