CN111189562A - 具有usb输出的高精度差分电容式压力检测装置 - Google Patents

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郜晨希
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Abstract

本发明公开了一种具有USB输出的高精度差分电容式压力检测装置，通过在传统检测装置的基础上，增加USB开关按钮的USB模块电路，实现为用户提供便利的实时数据存储，尤其是在压力检测装置调零或由于使用时间过长后装置准确性下降或出现故障后的数据检测。

Description

具有USB输出的高精度差分电容式压力检测装置
技术领域
本发明涉及电容式压力检测装置，尤其涉及一种具有USB输出的高精度差分电容式压力检测装置。
背景技术
高精度差分电容式压力检测装置，其检测原理是通过一对高精度差分电容的微小变化来表达被测环境压力，并通过模拟量(0-10V)或者数字量(RS485串口输出)的方式输出，用户将检测数据接入检测系统进行处理。为了增加数据处理手段的自由度。提高压力检测数据存储便利性，本发明提供了一宗在原有模拟量/数字量输出方式的基础上添加一种USB输出方式的高精度差分电容式压力检测装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种具有USB输出的高精度差分电容式压力检测装置，目的在于增加检测数据处理手段的自由度、提高检测数据存储的便利性，优化了压力检测装置调零过程的数据存储和分析、故障数据还原的过程，便于装置维护和线性化调整。
(二)技术方案
本发明提供了一种具有USB输出的高精度差分电容式压力检测装置，包括：一对差分电容、高精度检测电路模块、线性化调整模块、滤波放大输出模块、主控单元模块、USB输出存储模块。
其中，高精度检测电路模块用于将一对差分电容数据通过输出电压的形式表现出来；线性化调整模块用于将输出电压实时线性化调整为调整电压；滤波放大输出模块用于将调整电压进行运算放大及加法电路进行调整，实现模拟量输出；主控单元模块用于将模拟量输出差分输入给ADC芯片，进行高速模数转换，并将转换好的数据存入主控芯片内部的FIFO缓存。
高精度检测电路模块通过给一对差分电容施加一个稳定的方波信号，以及RC串联电路，得到差分电容充放电时的峰峰值变化，再通过减法电路将峰峰值的变化转化为输出电压的变化，从而得到压力与输出电压的数学关系。
在线性化调整模块中，调整电压满足U＝K*P，其中K为线性化系数，P为当前压力。线性化调整模块通过将输出电压经过有源滤波电路和模拟PID电路的系统负反馈对方波信号的电平值进行调整，实现对调整电压的线性化操作。
滤波放大输出模块中的模拟量输出范围在0V-10V之间。滤波放大输出模块利用高精度低温漂的运算放大器，对调整电压进行逐级放大，并与基准电压做加减法，得到模拟量输出。
在主控单元模块中，当FPGA主控芯片工作在SlaveFIFO模式时，可实现压力数据的快速传输存储。
所述USB输出存储模块包括：开关电路、USB接口电路、USB驱动程序、通信函数以及固件库。
所述USB输出存储模块中的开关电路，通过在FIFO缓存数据传输线上串联一个有指示灯的开关，用以实现选择存储功能；当开关接通时，与FIFO缓存形成数据通路，数据存储指示灯点亮，进行USB模块内的数据实时存储；当开关断开时，FIFO缓存数据通路断开，数据存储指示灯灭，USB模块不工作。通过USB控制芯片内部的时钟，经过片选、写入/读取信号与FPGA主控芯片实现通信；USB输出存储模块采用异步数据传输的方式。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、通过本发明提供的方案，使输出的压力检测数据便于存储和分析。
2、当调零和装置故障时可提供实时监测数据，便于线性化分析和故障分析。
附图说明
图1为本发明一种具有USB输出的高精度差分电容式压力检测装置示意图。
图2为本发明高精度差分电容式压力检测流程图。
图3为本发明USB输出流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种具有USB输出的高精度差分电容式压力检测装置，由反应压力变化的一对差分电容组成，通过高精度检测电路模块、线性化调整模块、滤波放大输出模块、主控单元模块以及USB输出存储模块，如图1所示，输出检测结果。
其中，高精度检测电路模块用于将反映压力变化的一对差分电容数据通过输出电压U0的形式表现出来。
如图2所示，通过给一对差分电容施加一个稳定的方波信号，利用差分电容本身具备充放电的电学特性及RC串联电路，得到差分电容充放电时的峰-峰值(最高峰和最低峰差值)变化，再通过减法电路将峰-峰值的变化转化为输出电压U0的变化，从而得到压力与输出电压U0的数学关系。
线性化调整模块采用有源滤波电路以及模拟PID电路，用于将高精度检测电路输出的电压U0实时线性化调整为调整电压U1，且具备U1＝K*P，其中K为线性化系数，P为当前压力。
由于目前差分电容式压力传感器很难做到完全线性，需要检测电路本身进行线性调整，通过将输出电压U0经过有源滤波电路的系统负反馈和模拟PID电路对方波信号的电平值进行调整，从而达到对调整电压U1的线性化操作。
滤波放大输出模块用于将线性化调整模块输出的调整电压U1进行运算放大及加法电路进行调整，实现模拟量输出U2，且0V＜U2＜10V。
通过运用高精度低温漂的运算放大器，对调整电压U1进行逐级放大，并与基准电压做加减法，实现对调整电压U1的调整，得到模拟量输出U2。
主控单元模块用于将模拟量输出U2差分输入给ADC芯片，如图3所示，进行高速模数转换，本发明中主控单元芯片采用FPGA芯片，再将转换好的数据存入FPGA主控芯片内部的FIFO缓存。
当FPGA主控芯片工作在SlaveFIFO模式时，可实现压力数据的快速传输存储。FPGA主控芯片决定采样的频率和存储的速率。为了防止数据丢失，可先将转换好的数据缓存在主控芯片的FIFO缓存中。
USB输出存储模块，包括：开关电路、USB接口电路USB输出存储模块用于提供一个USB接口，将主控单元FIFO缓存中的数据实时通过USB总线输出给PC存储。
考虑到实际使用过程中，用户可能并不想将全部数据存储，所以在USB输出存储模块中添加了开关电路以实现选择存储功能。通过在FIFO缓存数据传输线上串联一个有指示灯的开关，当开关接通时，与FIFO缓存形成数据通路，数据存储指示灯点亮，进行USB模块内的数据实时存储；当开关断开时，FIFO缓存数据通路断开，数据存储指示灯灭，USB模块不工作。
USB接口电路采用USB控制芯片和带有FIFO缓存接口的存储芯片及外围电路实现。通过USB控制芯片内部的时钟，经过片选、写入/读取信号与FPGA主控芯片实现通信。为了使数据更加稳定，USB输出存储模块采用异步数据传输的方式。存储芯片用来存储固件程序。USB控制芯片通过USB驱动程序、通信函数以及固件库，将主控单元FIFO缓存中的数据实时通过USB总线输出给PC存储。
USB驱动程序是用户访问设备的接口，利用USB控制芯片自带的驱动程序编写，通过编写相应的安装信息向导文件，即.inf格式文件，用于查找合适USB设备的驱动程序。实现方法为在.inf文件中修改自己的PID/VID代码。当USB设备连接时，操作系统将根据硬件的PID/VID代码查找.inf文件中对应驱动，若未找到，则提示用户自己安装支持该USB的驱动程序。
通信函数用以实现开启USB设备，进行二级制数据接收处理，并对FIFO缓存进行读写控制，这些均调用通过USB控制芯片自带函数完成。
USB固件库用来初始化、处理PC端各种设备的请求，并负责与PC端进行数据传输。实现方法为，利用USB控制芯片提供的固件开发框架，完成USB描述符表，添加功能代码，从而设置USB工作模式、选择端点、配置FIFO大小等。
本发明提供的一种具有USB输出的高精度差分电容式压力检测装置，可以便利的为用户提供实时存储检测数据，尤其是在压力检测装置调零或由于使用时间过长后装置准确性下降或出现故障后的数据监测。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有USB输出的差分电容式压力检测装置，其特征在于，包括：
一对差分电容、检测电路模块、线性化调整模块、滤波放大输出模块、主控单元模块、USB输出存储模块；
其中，检测电路模块用于将一对差分电容数据通过输出电压的形式表现出来；线性化调整模块用于将输出电压实时线性化调整为调整电压；滤波放大输出模块用于将调整电压进行运算放大及加法电路进行调整，实现模拟量输出；主控单元模块用于将模拟量输出差分输入给ADC芯片，进行高速模数转换，并将转换好的数据存入主控芯片内部的FIFO缓存。
2.根据权利要求1所述的一种具有USB输出的差分电容式压力检测装置，其特征在于，检测电路模块通过给一对差分电容施加一个稳定的方波信号，以及RC串联电路，得到差分电容充放电时的峰-峰值变化，再通过减法电路将峰-峰值的变化转化为输出电压的变化，从而得到压力与输出电压的数学关系。
3.根据权利要求1所述的一种具有USB输出的差分电容式压力检测装置，其特征在于，线性化调整模块中，调整电压满足U＝K*P，其中K为线性化系数，P为当前压力。
4.根据权利要求1所述的一种具有USB输出的差分电容式压力检测装置，其特征在于，线性化调整模块通过将输出电压经过有源滤波电路和模拟PID电路的系统负反馈对方波信号的电平值进行调整，实现对调整电压的线性化操作。
5.根据权利要求1所述的一种具有USB输出的差分电容式压力检测装置，其特征在于，滤波放大输出模块中的模拟量输出范围在0V-10V之间。
6.根据权利要求1所述的一种具有USB输出的差分电容式压力检测装置，其特征在于，滤波放大输出模块利用低温漂的运算放大器，对调整电压进行逐级放大，并与基准电压做加减法，得到模拟量输出。
7.根据权利要求1所述的一种具有USB输出的差分电容式压力检测装置，其特征在于，在主控单元模块中，当FPGA主控芯片工作在SlaveFIFO模式时，可实现压力数据的快速传输存储。
8.根据权利要求1所述的一种具有USB输出的差分电容式压力检测装置，其特征在于，所述USB输出存储模块包括：开关电路、USB接口电路、USB驱动程序、通信函数以及固件库。
9.根据权利要求8所述的一种具有USB输出的差分电容式压力检测装置，其特征在于，所述USB输出存储模块中的开关电路，通过在FIFO缓存数据传输线上串联一个有指示灯的开关，用以实现选择存储功能；当开关接通时，与FIFO缓存形成数据通路，数据存储指示灯点亮，进行USB模块内的数据实时存储；当开关断开时，FIFO缓存数据通路断开，数据存储指示灯灭，USB模块不工作。
10.根据权利要求9所述的一种具有USB输出的差分电容式压力检测装置，其特征在于，通过USB控制芯片内部的时钟，经过片选、写入/读取信号与FPGA主控芯片实现通信；USB输出存储模块采用异步数据传输的方式。
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