CN111855031B - 一种硅谐振压力传感器双频输出转换成单频输出的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及硅谐振压力传感器领域，通过单片机数字采集电路每20ms实时采集硅谐振压力传感器两路方波的信号，并解算为对应的压力数字量；设定单频输出的频率值的频段，在硅谐振压力传感器量值范围内建立频段的频率值与压力数字量一一对应的线性关系式；数字采集电路采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时，通过线性关系式计算后获得的单频频率值对应的方波信号每个周期包括的低电平与高电平的个数，对该个数进行取整，实时调整单片机定时器的中断时间，控制一个I/O口输出一个低电平与高电平的个数和等于取整后数字的方波信号。

Description

一种硅谐振压力传感器双频输出转换成单频输出的方法
技术领域
本发明涉及硅谐振压力传感器领域，特别是一种将硅谐振压力传感器两路双频输出信号转换成一路单频输出信号的方法。
背景技术
高精度压力传感器在现代航天航空领域中起着十分重要的作用，是当今飞机、卫星、火箭发动控制系统、工业控制系统、大气数据检测系统中所迫切需要的传感器。目前最新研制生产的高精度硅谐振式压力传感器尺寸小、重量轻、功耗低、响应快，而且谐振式压力传感器为两路频率信号输出，具有抗干扰能力强、稳定性好和半数字化输出等特点，然而两路频率信号输出需要两路接头，不能满足单路输入的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何不改变谐振式压力传感器硬件构造的条件下，将两路频率信号输出转换成单频信号输出。
本发明所采用的技术方案是：一种硅谐振压力传感器双频输出转换成单频输出的方法，按照如下的步骤进行
步骤一、通过单片机数字采集电路每20ms实时采集硅谐振压力传感器两路方波的信号，并解算为对应的压力数字量；
步骤二、设定单频输出的频率值的频段，压力数字量的最大值Pmax，压力数字量的最小值为Pmin，该频段的最大值为Fmax，最小值为Fmin，在硅谐振压力传感器量值范围内建立频段的频率值与压力数字量一一对应的线性关系式
Figure GDA0003167251650000011
其中，数字采集电路第i次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时，实时大气压力值为Xi，通过线性关系式计算后获得的单频频率值为Fi，i为自然数；
步骤三、数字采集电路第i次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时，通过线性关系式计算后获得的单频频率值对应的方波信号每个周期包括的低电平与高电平的个数和为Ni,每个低电平或者每个高电平都对应单片机I/O定时器的一个时钟周期，单片机定时器的时钟频率fcc，则
Figure GDA0003167251650000012
实际输出单频频率值对应的低电平与高电平的个数和Mi必须是整数，Mi为对Ni进行取整后获得的值，实时调整单片机定时器的中断时间，控制一个I/O口输出一个低电平与高电平的个数和Mi的方波信号。
单片机采用GD32F405RGT6单片机。
步骤三中对Ni进行取整包括以下步骤
步骤a、数字采集电路第i次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时，通过线性关系式计算后获得的单频频率值对应的方波信号每个周期包括的低电平与高电平的个数和为Ni,Ni的整数部分为Ui，Ni的小数ei＝Ni-Ui，累积误差E1＝ei,M1＝Ui，M1为整数，配置单片机定时器中断时间为M1个定时器的时钟周期；
步骤b、进入第一次中断，配置单片机I/O PA0输出翻转电平，即进行高低电平转换，判断E1+ei是否小于1，如果小于1则M2＝Ui，累积误差E2＝E1+ei，否则M2＝Ui+1，E2＝E1+ei-1，M2为整数，配置单片机定时器中断时间为M2个定时器的时钟周期；
步骤c、进入第二次中断，配置单片机I/O PA0输出翻转电平，判断E2+ei是否小于1，如果小于1则M3＝Ui，累积误差E3＝E2+ei，否则M3＝Ui+1，E2＝E2+ei-1；M3为整数，配置单片机定时器中断时间为M3个定时器的时钟周期；
步骤d、进入数字采集电路第i+1次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时的前一次中断，即第m次中断，配置单片机I/O PA0输出翻转电平，判断Em+ei是否小于1，如果小于1则Mm+1＝Ui，累积误差Em+1＝Em+ei，否则Mm+1＝Ui+1，Em+1＝Em+ei-1，Mm+1为整数，取Mi＝Mm+1。
本发明的有益效果是：把硅谐振压力传感器输出两路频率随大气压力变化的方波信号通过一个微小的GD32F405RGT6单片机数字电路采集并合成为一路频率随动的方波信号输出，本发明利用微小单片机数字电路提供了简单、转换精度高、实时性高、实用性广的一种将连续变化的数字量实时线性转换为一个频率随动的方波信号的方法。
附图说明
图1为输出方波信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，一种硅谐振压力传感器双频率实时数字合成技术，输出方波的频率是根据大气压力数字量大小而实时改变，输出方波的每个电平时间都是单片机时钟周期的整数倍。
单片机选择GD32F405RGT6单片机。
一种硅谐振压力传感器双频输出转换成单频输出的方法，包括以下步骤：
步骤一、硅谐振压力传感器的两路频率F1和F2经过施密特反相器连接到GD32F405RGT6单片机，单片机用TIMER3的CH1通道PA6采集第一频率量Y1，用TIMER4的CH1通道PB6采集第二频率量Y2，用TIMER6作为中断控制定时器，用单片机的一个I/O端口PA0口输出大气压力值转换为频率随动的方波信号。单片机每20ms采集一次传感器输出的两路频率，并解算为对应的大气压力数字量。解算公式如下：
Figure GDA0003167251650000031
其中Z为压力，Y1为第一频率量，Y2为第二频率量，Kpq为传感器系数。
步骤二.确定一个想要转换的频率值的频段；
本发明实施例每20ms解算一次压力值，一般硅谐振压力传感器测量最大范围为全压2000Pa～266000Pa，转换频率范围设置为4000Hz～10000Hz。
根据2KPa～266KPa大气压力范围和转换的频率值4000Hz～10000Hz范围建立一个一一对应的线性关系式；
Figure GDA0003167251650000032
其中数字采集电路第i次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时，实时大气压力值为Xi，通过线性关系式计算后获得的单频频率值为Fi，i为自然数；
步骤三、数字采集电路第i次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时，通过线性关系式计算后获得的单频频率值对应的方波信号每个周期包括的低电平与高电平的个数和为Ni,每个低电平或者每个高电平都对应单片机I/O定时器的一个时钟周期，单片机定时器的时钟频率fcc，则
Figure GDA0003167251650000033
实际输出单频频率值对应的低电平与高电平的个数和Mi必须是整数，Mi为对Ni进行取整后获得的值，实时调整单片机定时器的中断时间，控制一个I/O口输出一个低电平与高电平的个数和Mi的方波信号。
其中fcc是单片机I/O PA0对应定时器TIMER6的时钟频率可配置为104MHz。
对Ni进行取整包括以下步骤
步骤a、数字采集电路第i次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时，通过线性关系式计算后获得的单频频率值对应的方波信号每个周期包括的低电平与高电平的个数和为Ni,Ni的整数部分为Ui，Ni的小数ei＝Ni-Ui，累积误差E1＝ei,M1＝Ui，M1为整数，配置单片机定时器中断时间为M1个定时器的时钟周期；
步骤b、进入第一次中断，配置单片机I/O PA0输出翻转电平，即进行高低电平转换，判断E1+ei是否小于1，如果小于1则M2＝Ui，累积误差E2＝E1+ei，否则M2＝Ui+1，E2＝E1+ei-1，M2为整数，配置单片机定时器中断时间为M2个定时器的时钟周期；
步骤c、进入第二次中断，配置单片机I/O PA0输出翻转电平，判断E2+ei是否小于1，如果小于1则M3＝Ui，累积误差E3＝E2+ei，否则M3＝Ui+1，E2＝E2+ei-1；M3为整数，配置单片机定时器中断时间为M3个定时器的时钟周期；
步骤d、进入数字采集电路第i+1次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时的前一次中断，即第m次中断，配置单片机I/O PA0输出翻转电平，判断Em+ei是否小于1，如果小于1则Mm+1＝Ui，累积误差Em+1＝Em+ei，否则Mm+1＝Ui+1，Em+1＝Em+ei-1，Mm+1为整数，取Mi＝Mm+1。
最后将输出信号经过施密特反相器，可以使输出信号变得更陡，信号质量变得更好，方便其他设备进行采集。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明提供的这一方法，可以借助不同单片机以及其它硬件设备的来实现，并且设备时钟频率越高，数频转换精度会越好。

Claims (2)

1.一种硅谐振压力传感器双频输出转换成单频输出的方法，其特征在于：按照如下的步骤进行
步骤一、通过单片机数字采集电路每20ms实时采集硅谐振压力传感器两路方波的信号，并解算为对应的压力数字量，
Figure FDA0003167251640000011
其中Z为压力，Y1为第一频率量，Y2为第二频率量，Kpq为传感器系数；
步骤二、设定单频输出的频率值的频段，压力数字量的最大值Pmax，压力数字量的最小值为Pmin，该频段的最大值为Fmax，最小值为Fmin，在硅谐振压力传感器量值范围内建立频段的频率值与压力数字量一一对应的线性关系式
Figure FDA0003167251640000012
其中，数字采集电路第i次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时，实时大气压力值为Xi，通过线性关系式计算后获得的单频频率值为Fi，i为自然数；
步骤三、数字采集电路第i次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时，通过线性关系式计算后获得的单频频率值对应的方波信号每个周期包括的低电平与高电平的个数和为Ni,每个低电平或者每个高电平都对应单片机I/O定时器的一个时钟周期，单片机定时器的时钟频率fcc，则
Figure FDA0003167251640000013
实际输出单频频率值对应的低电平与高电平的个数和Mi必须是整数，Mi为对Ni进行取整后获得的值，实时调整单片机定时器的中断时间，控制一个I/O口输出一个低电平与高电平的个数和Mi的方波信号；
对Ni进行取整包括以下步骤
步骤a、数字采集电路第i次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时，通过线性关系式计算后获得的单频频率值对应的方波信号每个周期包括的低电平与高电平的个数和为Ni,Ni的整数部分为Ui，Ni的小数ei＝Ni-Ui，累积误差E1＝ei,M1＝Ui，M1为整数，配置单片机定时器中断时间为M1个定时器的时钟周期；
步骤b、进入第一次中断，配置单片机I/O PA0输出翻转电平，即进行高低电平转换，判断E1+ei是否小于1，如果小于1则M2＝Ui，累积误差E2＝E1+ei，否则M2＝Ui+1，E2＝E1+ei-1，M2为整数，配置单片机定时器中断时间为M2个定时器的时钟周期；
步骤c、进入第二次中断，配置单片机I/O PA0输出翻转电平，判断E2+ei是否小于1，如果小于1则M3＝Ui，累积误差E3＝E2+ei，否则M3＝Ui+1，E2＝E2+ei-1；M3为整数，配置单片机定时器中断时间为M3个定时器的时钟周期；
步骤d、进入数字采集电路第i+1次采集硅谐振压力传感器两路方波的信号时的前一次中断，即第m次中断，配置单片机I/O PA0输出翻转电平，判断Em+ei是否小于1，如果小于1则Mm+1＝Ui，累积误差Em+1＝Em+ei，否则Mm+1＝Ui+1，Em+1＝Em+ei-1，Mm+1为整数，取Mi＝Mm+1。
2.根据权利要求1所述的一种硅谐振压力传感器双频输出转换成单频输出的方法，其特征在于：单片机采用GD32F405RGT6单片机。
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