CN114791330A - 一种多通道压力扫描阀系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种多通道压力扫描阀系统，包括：集成在一起的测压模块和主控单元模块；测压模块包括多个压力传感器、信号调理模块和A/D转换模块；压力传感器用于通过动态反馈将电桥输入端直流激励电压经过长线传输后作为A/D转换模块的参考电压，以及将电桥输出端的输出电压传输至信号调理模块；信号调理模块用于将输出电压进行程控放大和滤波处理，并将处理后的模拟信号发送至A/D转换模块；A/D转换模块用于结合参考电压，对模拟信号进行转换，得到数字信号；主控单元模块用于接收和处理数字信号，并上传至上位机。这样成本低，容易组网，抗干扰，提高系统的精度及可靠性，解决了激励源带来的误差，同时降低对电桥激励的稳定性要求。

Description

一种多通道压力扫描阀系统

技术领域

本发明涉及扫描阀技术领域，特别是涉及一种多通道压力扫描阀系统。

背景技术

目前，传感器硬件采用的是国外扫描阀系统上的传感器模块备件，将来将逐渐实现国产化替代。扫描阀系统的测压传感器是一个测力电桥，当气压变化时，电桥测量臂上的对应电阻会发生变化。

对于测力电桥，实现测量的方法一般为四线制电桥，即惠斯通电桥（Wheatstonebridge），其原理为给定恒定的激励源VB，当电桥中传感器的电阻发生改变，其输出也会相应改变。然而，激励源VB的误差会直接造成电桥输出的误差，无论是长线或激励源都会给电桥造成很大影响。此外，由于该电阻变化量一般都很小，输出电压变化可能只有几个毫伏，因此也对测量系统的高精度、低噪声提出了较高的要求。

另外，现有的测压方法为集中式采集方式，如图1所示，ZOC扫描阀模块中具有多路通道切换开关和调理底板，扫描阀主机中具有A/D转换模块，这样的方式模拟信号为远距离传输，容易受到各种干扰，影响精度及可靠性；模块体积较大，无法进一步靠近试验现场，采用气管较长引气带来的误差也较大；并且校准参数都存放在采集模块中，使用时互换性流程复杂，互换性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多通道压力扫描阀系统，可以提高系统的精度及可靠性，解决激励源带来的误差，降低对电桥激励的稳定性要求。其具体方案如下：

一种多通道压力扫描阀系统，包括：测压模块，与所述测压模块集成在一起的主控单元模块；所述测压模块包括多个压力传感器、信号调理模块和A/D转换模块；其中，

所述压力传感器，用于通过动态反馈将电桥输入端直流激励电压经过长线传输后作为所述A/D转换模块的参考电压，以及将电桥输出端的输出电压传输至所述信号调理模块，以使所述参考电压与所述输出电压同步变化；

所述信号调理模块，用于将所述输出电压进行程控放大和滤波处理，并将处理后的模拟信号发送至所述A/D转换模块；

所述A/D转换模块，用于结合所述参考电压，对所述模拟信号进行转换，得到数字信号；

所述主控单元模块，用于接收和处理所述数字信号，并将处理后的数字信号上传至上位机。

优选地，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，所述压力传感器为六线制电桥；

在电桥电路中，电桥的输入端A、C引出两根与输出端B、D所连接的导线属性相同的导线，再经过相同走线方式连接到测量端ADC的参考电压输入，以将电桥的激励源直接反馈到所述A/D转换模块的参考基准端。

优选地，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，所述信号调理模块包括滤波器、多路切换开关、偏置电路和平衡式差分程控放大电路；

所述平衡式差分程控放大电路的电路布局为对称布局，信号线为等长等间距走线。

优选地，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，所述信号调理模块还包括与平衡式差分程控放大电路连接的斩波电路；

所述斩波电路，用于降低1/f噪声和失调电压。

优选地，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，所述A/D转换模块，还用于对所述数字信号进行标度变换、数字滤波和传感器误差校准。

优选地，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，所述主控单元模块，还用于对各模块的参数和采样频率进行设置，控制AD采样的同步与触发，并提供时钟。

优选地，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，还包括：供电模块，用于对所述测压模块和所述主控单元模块进行供电，还用于提供激励源。

优选地，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，所述供电模块包括电源模块和激励源模块；

所述电源模块从外部引入直流电源，通过稳压芯片获得所需的不同内部电压；

所述激励源模块采用带隙基准电压源提供基准电压，并采用射极跟随器将基准电压进行同向和反向同比放大，输出激励电压。

优选地，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，所述信号调理模块、所述A/D转换模块、所述主控单元模块和所述供电模块同时对应四个电路板，每两个电路板叠层设置且通过多个接插件连接。

优选地，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，多个所述压力传感器集成为一体化八通道压力传感器，每个通气道内有一个所述压力传感器；

所述A/D转换模块选用24位AD；

所述主控单元模块包括STM32微处理器。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种多通道压力扫描阀系统，包括：测压模块，与测压模块集成在一起的主控单元模块；测压模块包括多个压力传感器、信号调理模块和A/D转换模块；其中，压力传感器，用于通过动态反馈将电桥输入端直流激励电压经过长线传输后作为A/D转换模块的参考电压，以及将电桥输出端的输出电压传输至信号调理模块，以使参考电压与输出电压同步变化；信号调理模块，用于将输出电压进行程控放大和滤波处理，并将处理后的模拟信号发送至A/D转换模块；A/D转换模块，用于结合参考电压，对模拟信号进行转换，得到数字信号；主控单元模块，用于接收和处理数字信号，并将处理后的数字信号上传至上位机。

在本发明中，压力扫描阀系统的传感和采集的校准是分模块实现，能够以一定存储空间实现重要参数及数据的存储和调用，在将压力传感器、信号调理模块、A/D转换模块、主控单元模块集成为一个多通道压力扫描阀系统后，采样数据将通过数字信号传输到上位机，不但成本低，容易组网，而且不容易受到各种干扰，提高系统的精度及可靠性；并且，压力传感器将电桥的输入电压作为A/D转换模块的参考电压后，解决了激励源带来的误差，同时利用A/D转换模块自身的工作原理，大大简化电路设计，而且对电桥激励的稳定性要求降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有的ZOC扫描阀系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的多通道压力扫描阀系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的多通道压力扫描阀系统的数据传输示意图；

图4为本发明实施例提供的电压驱动电桥的电路示意图；

图5为本发明实施例提供的测压模块的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的多通道压力扫描阀系统的具体结构示意图；

图7为本发明实施例提供的信号调理模块的组成及功能框图；

图8为本发明实施例提供的平衡式差分程控放大电路的电路示意图；

图9为本发明实施例提供的运算放大器的电压噪声密度与频率的示意图；

图10为本发明实施例提供的斩波电路的电路示意图；

图11为本发明实施例提供的ADC内部结构图；

图12为本发明实施例提供的主控单元模块的功能示意图；

图13为本发明实施例提供的供电模块的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的电源转换构成图；

图15为本发明实施例提供的+9V转+5V电路原理图；

图16为本发明实施例提供的+5V转+3.3V电路原理图；

图17为本发明实施例提供的-9V转-5V电路原理图；

图18为本发明实施例提供的激励源构成框图；

图19为本发明实施例提供的桥压生成电路示意图；

图20为本发明实施例提供的电压基准电路的电路示意图；

图21为本发明实施例提供的2.5V射极限随电路的电路示意图；

图22为本发明实施例提供的多通道压力扫描阀系统在工作时的运行流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种多通道压力扫描阀系统，如图2所示，包括：测压模块1，与测压模块1集成在一起的主控单元模块2；测压模块1包括多个压力传感器11、信号调理模块12和A/D转换模块13；其中，

压力传感器11，用于通过动态反馈将电桥输入端直流激励电压经过长线传输后作为A/D转换模块13的参考电压，以及将电桥输出端的输出电压传输至信号调理模块12，以使参考电压与输出电压同步变化；

信号调理模块12，用于将输出电压进行程控放大和滤波处理，并将处理后的模拟信号发送至A/D转换模块13；

A/D转换模块13，用于结合参考电压，对模拟信号进行转换，得到数字信号；

主控单元模块2，用于接收和处理数字信号，并将处理后的数字信号上传至上位机3。

在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，压力扫描阀系统的传感和采集的校准是分模块实现，能够以一定存储空间实现重要参数及数据的存储和调用，在将压力传感器、信号调理模块、A/D转换模块、主控单元模块集成为一个多通道压力扫描阀系统后，采样数据将通过数字信号传输到上位机，不但成本低，容易组网，而且不容易受到各种干扰，提高系统的精度及可靠性；并且，压力传感器将电桥的输入电压作为A/D转换模块的参考电压后，解决了激励源带来的误差，同时利用A/D转换模块自身的工作原理，大大简化电路设计，而且对电桥激励的稳定性要求降低。

需要说明的是，如图3所示，本发明的系统采用的是分离式设计，传感器、调理通道、数据采集单元（包括A/D转换模块、主控单元模块）可集成为一个压力电子采集扫描阀系统，该单元通过交换机与上位机进行通讯，实现快速组网；其中将A/D转换模块进行了前移，与信号调理模块一起集成在测压模块，再通过集成主控单元模块，实现对测压模块的整体控制，从而实现测压模块的数字化前移。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，由于激励源VB的误差会直接造成电桥输出的误差，为了克服这一误差，本发明的压力传感器选用六线制电桥；在六线制电桥的基础上，利用ADC自身的工作原理，设计了比例式动态反馈电桥测量法，大大简化电路设计，而且对电桥激励的稳定性要求降低。在电桥电路中，如图4所示，电桥的输入端A、C引出两根与输出端B、D所连接的导线属性相同的导线，再经过相同走线方式连接到测量端ADC的参考电压输入，以将电桥的激励源直接反馈到A/D转换模块的参考基准端。

具体地，动态反馈将电桥输入端直流激励电压经过长线传输后作为AD转换的参考电压V _ref ，使ADC的测量电压和参考电压同步变化。双斜积分式ADC中，使被测电压与参考电压的两次积分相同，时间之比即为电压之比，由此可以得出测量结果。如果被测电压与参考电压同步变化，那么长线压降引起的误差即可消除。

图4中电桥输出电压V ₀为B、D两点电平之差，如式（1）所示，E为电桥激励电压。

（1）

V ₀首先由信号调理电路进行放大、滤波等处理，然后送入ADC进行转换，此时ADC的输入电压为

，G为信号调理电路整体增益倍数。令

、

带入式（1）有电桥输出电压

，则ADC输入电压可表示为式（2）。

（2）

以N位分辨率的

型ADC为例，其对

的转换结果

可由式（3）表示。

（3）

将式（2）代入式（3）可以得到ADC转换结果与电桥桥臂阻值之比的关系，如式（4）所示。

（4）

此时的输出已经不包括恒定的激励源E，从而从根本上克服了激励源波动，长线等对测量误差的影响。

由此可以推断，比例式动态反馈电桥测量法可以满足该系统的测量需要，可以用此法作为测量原理。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，如图5所示，还可以包括：供电模块，用于对测压模块和主控单元模块进行供电，还用于提供激励源。

在本发明中，采用信号调理模块对压力传感器的输出信号进行调理、程控放大和滤波处理，将信号调理到所需电平，再通过A/D转换模块控制A/D单元进行转换，并对采样数据（即数字信号）进行数字滤波、标度变换和传感器误差校准。最后将采样数据传输到主控单元模块进行处理。数据处理完成后，将数据上传到上位机。同时主控单元还需要实现整个系统的外部触发、同步功能，并提供系统时钟。

针对上述分析，对多通道压力扫描阀系统的具体结构进行进一步说明，如图6所示，硬件部分可分为四部分：调理模块，A/D转换模块，主控单元模块和供电模块。同时对应四个电路板，这四个电路板中每两个电路板通过左右两个接插件连接，整体结构为层叠，连接后的电路板作为一个整体的采集扫描阀单元。此外系统还设计了底板作为调试使用，调试结束后取出。这样有效的利用空间能使体积降到较小程度。每部分功能如下表一：

表一

本发明的硬件部分和现有技术相比，包含了现有技术中压力电子扫描阀采集系统的全部功能：传感器组（即多个压力传感器）、调理及放大器（即调理模块）、采集电路（即A/D转换模块）、控制系统（即主控单元模块），选用的器件性能优于原有方案，因此，本发明可以替代原有系统的全部功能。

优选地，传感器组可以采用一体化微型8通道压力传感器，它采用一体化气路结构，在传感器组上设计有8个通气道，每个通气道内有一个压力传感器（压力测量电桥），当气压变化时，电桥测量臂上的电阻会发生变化，在激励电压的作用下会输出对应的电压，该电压非常微弱，约为毫伏量级。

通过信号调理通道将对应压力传感器信号，切换到调理及放大器上，通过调理及放大电路实现信号的放大及与AD采样芯片的阻抗与电平匹配。

优选地，A/D转换模块可以选用24位AD，精度远优于原有扫描阀的采集模块采用的16位AD。AD位数的提高不但可以提高AD的分辨率，还可以提高AD的采样精度并降低噪声。

优选地，控制系统采用核心微处理器(STM32)作为整个采集扫描阀单元的控制及数据处理中心，其CPU需要对采集数据进行处理，利用存储器来保存校准参数，实现精度校准，并利用定时器为本发明的实现提供支持。

优选地，电源供电电路除需要对节点中各个模块进行供电外，还可以提供稳定的激励源，减少测量系统的系统噪声，提高测量精度。

为实现系统中各个采集扫描阀单元的管理，首先需要赋予采集扫描阀单元地址，具体采集扫描阀单元地址赋值方式可以按试验场合位置进行排列。控制中心可通过指令对某一采集扫描阀单元进行控制，用于获取采集扫描阀单元的传感器信息或对其进行各类操作。

具体工作原理：压力传感器通过电桥电路，将压力转换为电压信号，通过低通滤波器后，传输到集成扫描测量模块。扫描测量时，模块通过一个8通道的多路开关，将信号切入主放大电路。主放大电路包括偏置电路和平衡式差分程控放大电路，再它们的共同作用下，放大到适当的幅度，并平移到AD电路的测量范围，再由AD进行过采样和数字滤波，最终输出各通道的扫描采样值。

由于测压模块的被测信号是极其微弱的，不能直接用于数据采集，需对微弱信号进行调理和放大后，使得调理后的信号适合ADC的输入，从而将微弱模拟信号数字化，变换为数字信号，并将该转换后的数字信号送到MCU，以便用于系统的数据处理。考虑到EMC、抗干扰及微型化，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述多通道压力扫描阀系统中，如图7所示，信号调理模块可以包括滤波器、多路切换开关、偏置电路和平衡式差分程控放大电路；其中，滤波器主要根据信号带宽来设计，扫描阀的采样率最高100Hz，按采样定律，通过的信号频率不超过50Hz，为了减小工频干扰，将滤波器的带宽定为40Hz较为合理；多路开关的切换速率大约800Hz，平均一个通道的采样率是100Hz，通道可以按一定顺序切换；偏置电路主要是用来提高系统对不同传感器信号的适应能力。

因为压力传感器输出的是微弱信号，在毫伏量级，ADC模块工作在伏的量级，需要差分放大电路对信号进行放大。平衡式差分程控放大电路实现模拟输入信号的程控衰减和程控放大及A/D差分驱动。相比传统放大电路噪声更低，精度提高30%以上。此电路现有技术主要通过专用集成程控放大芯片实现，典型代表如TexasInstruments的PGA281,该芯片输入阻抗>1GΩ，具有数控增益功能，温漂0.5ppm/℃典型值，线性1.5ppm，共模抑制比>140dB，最大零漂5uv。采用平衡式差分程控放大电路可以实现模拟输入信号的程控衰减和程控放大、AD差分驱动，噪声更低，精度提高30%以上。该电路输入阻抗大于1GΩ，具有程控数控增益和信号完整性测试功能，采用零漂移架构，自动归零技术来提供低偏移电压、近零偏移和增益漂移，此外单元还有高达出色的线性，高共模抑制，低1/f噪声。具体电路结构如图8所示。

平衡式差分程控放大电路的电容容差或PCB布局产生的差分通道输入端电容0.5pF的差额就可导致10kHz时交流CMRR下降6dB。为了能尽可能提高差分电路阻抗平衡，平衡式差分程控放大电路的电路布局尽量采用对称布局，信号线采用等长等间距走线，并且尽量短。最后采用激光修正配平的方法，配平差分通道的阻抗，阻抗匹配度可以高达10ppm以下，可以有效防止信号失真，最大限度的降低共模干扰，提高共模抑制比至100dB。

由于电路存在的背景噪声、元器件固有噪声、电源噪声、1/f噪声、散弹噪声、接触噪声、自激振荡、反射噪声、脉冲噪声等电路内部噪声，及电力线噪声、地电位差噪声、天电噪声等外部噪声，都会影响本发明的最终输出。如若不对其进行处理降噪,将会降低小信号的有效分辨率,降低系统的整体测量精度。在具体实施时，本发明可以采用平衡式差分式平衡放大电路和斩波电路实现噪声的抑制，达到了底噪0.002%水平。

平衡式差分放大电路实现模拟输入信号的程控衰减和程控放大、AD差分驱动，噪声更低，精度提高30%以上。该电路输入阻抗高，具有程控数控增益和信号完整性测试功能，采用零漂移架构，自动归零技术来提供低偏移电压、近零偏移和增益漂移，此外电路还有高达出色的线性，高共模抑制比，极低的 1/f 噪声。

1/f噪声是一种低频噪声，其噪声功率与频率成反比。关于1/f噪声的来源仍存在很大争议，人们就此开展了许多研究，图9示出了运算放大器的典型电压噪声频谱密度，可以看出左边是1/f噪声区，右边是宽带噪声区。1/f噪声和宽带噪声之间的交越点称为1/f转折频率。在宽带噪声区，放大器的等效噪声很低，但在1/f噪声区，其噪声往往很大。本发明不但要求仪器具有较低的宽带噪声水平，同时要求仪器具有较低的1/f噪声。

为了降低放大器的1/f噪声水平，在具体实施时，本发明采用与平衡式差分程控放大电路连接的斩波电路结构。斩波稳定或斩波是一种降低放大器失调电压的技术。由于1/f噪声是接近DC的低频噪声，所以这种技术也能有效降低1/f噪声。斩波稳定的工作原理如下：对输入级的输入信号进行交替或斩波，然后再对输出级的信号进行斩波，这相当于利用正弦波进行调制。具体电路结构如图10所示。

参考图10中所示的电路架构框图，输入信号在CHOP IN级调制到斩波频率。在CHOPOUT级，输入信号同步解调回到原始频率，同时放大器输入级的失调和1/f噪声被调制到斩波频率。除了降低初始失调电压之外，失调相对于共模电压的变化也会缩小，从而获得非常好的直流线性度和高共模抑制比（CMRR）。

需要说明的是，斩波电路还会降低失调电压。采用斩波技术的放大器被称为零漂移放大器，零漂移放大器仅消除了放大器的1/f噪声，任何其他来源（如传感器）的1/f噪声会不受影响地通过。使用斩波电路的缺点是它会将开关伪像引入输出并提高输入偏置电流。在示波器上查看时，可以看到放大器输出上的毛刺和纹波；利用频谱分析仪查看时，可以在噪声频谱密度中看到噪声尖峰。为此还需要在电路上增加失调和纹波校正环路，以最大程度减少开关伪像。

另一方面，采用斩波技术时，必须知道各器件的斩波频率，并清楚可能发生交调失真（IMD）。当两个信号结合时，所得波形不仅含有原先的两个信号，还有这两个信号频率的和与差。所以使用多级放大器时，各级放大器的斩波频率需要相差较远，否则会发生交调失真，从而影响最后信号的输出。

本发明需要将多个数据采集通道进行集成，而多个数据采集通道输入端相邻导线或引脚之间必然存在寄生电容。电容具有通交流、阻直流、通高频阻低频的特点，所以对于交流信号，必定会通过寄生电容对相邻通道产生干扰。面对直流信号，多路信号切换过程中，切换动作会引起一定时间内的电压抖动。由于该抖动为交流信号，所以也会通过寄生电容影响相邻通道。本发明将采取并行AD技术，通道间进行屏蔽隔离，减少EMI噪声，本发明集成多个数据采集通道用于采集传感器信号，而多个数据采集通道输入端相邻导线或引脚之间必然存在寄生电容，通道之间互相干扰，影响测量精度。本发明在设计电路时，线上采用高阻抗布线技术，大幅降低相邻通道之间的耦合性，降低通道之间的相互影响，同时对相邻通道进行屏蔽，进一步降低串扰影响，实现了通道间串扰抑制比≥78dB。

在具体实施时，本发明的A/D转换模块包含ADC芯片，ADC芯片是数据采集的核心，其指标直接决定了数据采集的精度，而精度和采样率是该芯片选择的重要影响因素。被测量的精度很大程度上决定于ADC量化值编码的位数，位数越高，则最低有效位就越小，采集到的信号就更精确。但随着ADC位数增高，最高实时采样率就会降低。一般国际上高端的数字多用表都采用多斜率积分高速高分辨率的ADC，如六位半多用表34410A使用的ADC线性度为0.0002%读数+0.0001%量程，30位分辨率。但多斜率积分集成ADC芯片采样率太低，只适合于直流测试或低速信号采样，不适合本发明。本发明选用24位高精度Σ-ΔA/D，采用FLEX—AD采样技术，既可以获得高精度采样，又可以平衡采样速度和精度之间的矛盾。

较佳地，本发明选择24位的Sigma-Delta型ADC，其内部结构如图11所示，其指标如下：24位分辨率，最高采样率256ksps，信噪比108dB，±2ppm满量程（FSR）积分非线性（INL）、±50μV失调误差、±30ppm增益误差，内置差分信号缓冲器，能够使用外部高精度3.3V基准电压。

电路的指标主要可以包括：8个差分/16个伪差分输入通道；RMS噪声：11nV（4.7Hz，增益=128）；15.5位无噪声分辨率(2.4kHz，增益=128)；无噪声分辨率高达22位（增益=1）；失调漂移：±5nV/℃；增益漂移：±1ppm/°C；可编程增益（1至128）；输出数据速率：4.7Hz至4.8kHz；50Hz/60Hz同时抑制；温度范围：-40°C至+105°C。

在具体实施时，本发明的主控单元模块主要功能是将A/D转换后的数字量进行接收，然后进行数据处理。处理控制集成扫描模块（配置参数、控制时序、接收数据）、数据处理（采集数据、标度变换）、数据校准（误差补偿）、同步响应、通讯、仪器控制等。本部分需要一定的计算和处理能力，所以相比与功能简单的51单片机，本发明可以选择计算能力更强、处理速度更快的STM32单片机。而在STM32的众多产品当中，通过各种分析和对比，考虑到实现系统所需的程序量级以及需要的外设数量，同时尽可能地选择功耗低的单片机，本发明可以选择使用的是STM32F103微处理器。

上述主控单元模块主要实现测量模块与仪器控制和信息传递，AD采样的控制、数据的接收，处理、信息的存储；实现AD采样的同步及触发。压力测量系统作为一个具有完整功能的独立系统，由各个功能相对独立的模块组成，需要完成数据的采集、分析、上传等功能，还需要将系统的各个部分有机的结合起来。数据封装上传单元，需要能够对各个模块的参数进行设置，同时需要协调各个模块之间的配合，如滤波器的截至频率设置，ADC控制与数据读取，采样频率的设置等；还需要进行通道切换、多机组网、上位机通信等。其功能的组成框图如图12所示。

具体地，数据处理系统可以直接使用ARM作为数据封装上传单元，ARM型号为STM32F103，负责整个模块的控制和数据处理工作。通讯采用485通讯接口，RS485是RS232接口的扩展，其传输距离和稳定性都高于RS-232，适合环境恶劣的工业控制场合以及传输比较远的场合中。

在具体实施时，本发明的供电模块可以包括电源模块和激励源模块；电源模块从外部引入直流电源，通过稳压芯片获得所需的不同内部电压；激励源模块采用带隙基准电压源提供基准电压，并采用射极跟随器将基准电压进行同向和反向同比放大，输出激励电压。供电模块的整体结构示意图如图13所示。

具体地，因为高精度测压电路系统的电源抑制比一般为80db~90dB，此时电源对系统噪声的影响为万分之一至十万分之五左右，原压力传感器满量程输出约10mv左右，所以应把系统纹波输出控制在10mv以内，从而使得电源纹波不会对高精度测量产生太大影响。所以本发明可以选择LDO低压差线性稳压，电源的最大纹波为10mV左右。

由于本发明的多通道压力扫描阀系统体积小，且具有恒温装置不易散热，所以在该系统的设计过程中尽量减小系统发热。考虑到发热问题，由P=I2R可知，大电流发热大，会使系统内部短时间内产生大量的热量，降低元器件的使用寿命和可靠性，影响系统的稳定性及精度。大电流的电压需要直接供给，其他电源可以用外部稳压的方式获得。数据采集模块的电源由外部电源通过处理后供给，从外部引入直流电源+9V,300mA；-9V,300mA；其他内部电源压+5V、+3.3V、-5V可以通过稳压芯片获得。其构成图如图14所示，内部电源有：+5V、+3.3V、-5V这些电压可以通过稳压芯片得到所需电压，具体见下表二。

表二 内部电压对应芯片表

其中，+9V电压通过稳压芯片AMS1117-5.0后可以获得+5V电压。AMS1117-5.0可以将范围为7V~40V电压转换为5V,负载电流为0.2A~3A。其电路原理图如图15所示。

与+5V电源的获取相同，+3.3V电压通过线性稳压线性芯片AMS1117-3.3获得，其电路原理图如图16所示。

-5V电压是由-9V电压经过线性稳压得到的，可以通过线性稳压芯片7905获得，其电路图如图17所示。

在本发明中，电源采用模数分离的供电方式，减少电源之间的串扰，还能减少供电组数，提高系统测量的精度。

另外，需要说明的是，在电桥激励部分，激励源模块采用基准电路提供基准电压2.5V后，再通过功率放大，输出激励电压±2.5V（150mA）供给电桥使用。电桥激励需选取合适的电压值，因为较大的激励电压能够产生较大的满量程输出电压，但也将导致更大的功耗和传感器自热误差。较低的激励电压则需要调理电路具有更大的增益，并对噪声更为敏感。同时，由于电桥的输出与激励电压成正比，激励电压的稳定性也将直接影响电桥输出的总精度，需要稳定的参考量和比值测量技术以保证获得期望的精度。稳定的激励源，对测量系统尤为重要，一个稳定的激励源能够减少系统噪声，提高测量精度。激励构成如图18所示。

为保证惠斯通电桥的高稳定性，本发明将利用稳定的基准源（基准电路芯片选用ADR4525是精密带隙基准电压源，微功率，低噪声，小尺寸）作为桥压的基本参考，采用放大器将其进行同向和反向同比放大，形成最终的桥压，桥压生成电路图如图19所示。

电压基准采用带隙基准电压源，该类电压基准具有低温漂系数，低噪声等特点，其温漂系数一般能达到1ppm/℃，噪声低于0.5ppmp-p（0.1-10Hz）。电路主要分成：带隙基准、误差补偿单元、功率驱动单元。为了同时具有正负基准电压标准，一般可以采用低噪声放大器反向输出，为了获得高精度，R1,R2需要互相匹配，其匹配精度应优于0.01%，温度系数低于0.5ppm/℃。本发明的基准电路结构如图20所示。

由基准产生的基准电压虽然比较稳定，但是没有足够的带负载能力，在本发明中采用射极跟随器也就是共集电极放大电路，提高基准的负载能力。射极跟随器的电路结构如图21所示。本发明的信号调理模块主要由信号低通滤波器、偏置电路等组成。

需要指出的是，各部分间的连接关系是：电源及激励源模块、滤波模块、集成扫描模块、控制电路通过板间总线连接在一起，板间总线，传递各种信号、电源、激励源。滤波模块通过传感器模块的弹针及焊盘连接在一起，接收传感器模块的输出信号，并提供激励源。控制电路通过RJ45接口与上位机通讯。测压模块内部的4块板子可采用多块叠板安装的结构设计，充分合理利用有效的空间。每块电路板实现一定功能，不同电路板之间采用高密板间插座连接。每块PCB的四个角都留有一个安装孔，可以用铜柱将电路板叠放安装，提高安装的稳定性和抗振能力。这样一方面能提高电路的设计和调试速度；另一方面可以双面板排布元器件，尽可能采用体积小的元器件，最大限度的节省PCB空间，减少空间的占用。板子之间采用高密镀金插头，具有高接触可靠性，体积小等特点，能够最大程度上节省安装空间。编程接口也定义在板间连接插座上，可以通过专用的下载器和测试板引出下载或测试，便于检查。此外，考虑到散热和屏蔽的需求，数字测压模块还可以外装屏蔽壳。

在进行程序开发时，首先需要先定义几个重要的变量，包括AD设备(adDev)、AD寄存器(ad_reg)、数据包(allDataBuf)等。其中设备名称，是为了在调用硬件是方便使用硬件库中封装的函数进行编程，在使用多个AD时，可以对其进行区分，在引脚定义时方便更改；定义对应的寄存器是为了对其进行设置，在使用AD芯片过程中，进行通讯、初始化、设置等操作；数据包大小100个字节。对于不同的应用场景可以进行不同的设置和更改。

为实现具体的AD采样，本次程序运行中包括初始化、通讯、中断、查询等多种操作，其流程框图如图22所示。

单片机的主要工作是控制采样，对数据进行处理和上传。该实现程序主要包括一下几个部分：

第一部分、设置中断和SPI初始化。在单片机初始化完成后，需要对设置中断优先级分组，设置中断优先级分钟为第二组，设置为2位抢占优先级，2位响应优先级，中断分组确定后不可更改。然后进行SPI通讯设置，初始化时钟，设置PLL时钟源及倍频系数，设置SPI工作模式为全双工，使能SPI，使用SPI传输数据，检查传输状态。

第二部分、AD采样和数据处理。在对AD进行初始化之后，设置其采样位数为24位，放大倍数为32倍，根据反馈电压为2.5V，其采样电压最大为78mV，使能AD芯片，通过SPI与单片机进行传输，在单片及接受到数据后，将数据存入allDataBuf中，然后进行标度转换和数字滤波，采用分布式多进程运算方法，既减少了运算压力，又能通过多级组合，实现更优的滤波器特性。

第三部分、数据上传。在标度转换中，将数据转换为传输格式，其中设置了起始位了终止位，上位机在接受到数据后，通过起始位了终止位判断数据是否开始和结束，防止数据接受错误。

需要注意的是，本发明可以将8通道压力传感器、信号调理模块、A/D转换模块、主控单元模块集成为一个压力电子采集扫描阀单元，同时采用集成化、微型化设计，体积小，大约只有ZOC扫描阀模块体积的1/5，可以前置放置到试验现场，同时减少气管长引气代来的误差。A/D转换模块可以采用24位AD，电路之间的互联紧密，抗干扰能力强，其关键技术指标也优于或不低于国外的系统指标。另外，种类和校准参数都可以存放在扫描阀单元中，使用时互换性好，可以组成不同量程的混合式系统，容易扩展、维修、标校。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

综上，本发明实施例提供的一种多通道压力扫描阀系统，包括：测压模块，与测压模块集成在一起的主控单元模块；测压模块包括多个压力传感器、信号调理模块和A/D转换模块；其中，压力传感器，用于通过动态反馈将电桥输入端直流激励电压经过长线传输后作为A/D转换模块的参考电压，以及将电桥输出端的输出电压传输至信号调理模块，以使参考电压与输出电压同步变化；信号调理模块，用于将输出电压进行程控放大和滤波处理，并将处理后的模拟信号发送至A/D转换模块；A/D转换模块，用于结合参考电压，对模拟信号进行转换，得到数字信号；主控单元模块，用于接收和处理数字信号，并将处理后的数字信号上传至上位机。在本发明中，压力扫描阀系统的传感和采集的校准是分模块实现，能够以一定存储空间实现重要参数及数据的存储和调用，在将压力传感器、信号调理模块、A/D转换模块、主控单元模块集成为一个多通道压力扫描阀系统后，采样数据将通过数字信号传输到上位机，不但成本低，容易组网，而且不容易受到各种干扰，提高系统的精度及可靠性；并且，压力传感器将电桥的输入电压作为A/D转换模块的参考电压后，解决了激励源带来的误差，同时利用A/D转换模块自身的工作原理，大大简化电路设计，而且对电桥激励的稳定性要求降低。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的多通道压力扫描阀系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；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)

1.一种多通道压力扫描阀系统，其特征在于，包括：测压模块，与所述测压模块集成在一起的主控单元模块；所述测压模块包括多个压力传感器、信号调理模块和A/D转换模块；其中，

所述压力传感器，用于通过动态反馈将电桥输入端直流激励电压经过长线传输后作为所述A/D转换模块的参考电压，以及将电桥输出端的输出电压传输至所述信号调理模块，以使所述参考电压与所述输出电压同步变化；

所述信号调理模块，用于将所述输出电压进行程控放大和滤波处理，并将处理后的模拟信号发送至所述A/D转换模块；

所述A/D转换模块，用于结合所述参考电压，对所述模拟信号进行转换，得到数字信号；

所述主控单元模块，用于接收和处理所述数字信号，并将处理后的数字信号上传至上位机。

2.根据权利要求1所述的多通道压力扫描阀系统，其特征在于，所述压力传感器为六线制电桥；

在电桥电路中，电桥的输入端A、C引出两根与输出端B、D所连接的导线属性相同的导线，再经过相同走线方式连接到测量端ADC的参考电压输入，以将电桥的激励源直接反馈到所述A/D转换模块的参考基准端。

3.根据权利要求2所述的多通道压力扫描阀系统，其特征在于，所述信号调理模块包括滤波器、多路切换开关、偏置电路和平衡式差分程控放大电路；

所述平衡式差分程控放大电路的电路布局为对称布局，信号线为等长等间距走线。

4.根据权利要求3所述的多通道压力扫描阀系统，其特征在于，所述信号调理模块还包括与平衡式差分程控放大电路连接的斩波电路；

所述斩波电路，用于降低1/f噪声和失调电压。

5.根据权利要求4所述的多通道压力扫描阀系统，其特征在于，所述A/D转换模块，还用于对所述数字信号进行标度变换、数字滤波和传感器误差校准。

6.根据权利要求5所述的多通道压力扫描阀系统，其特征在于，所述主控单元模块，还用于对各模块的参数和采样频率进行设置，控制AD采样的同步与触发，并提供时钟。

7.根据权利要求6所述的多通道压力扫描阀系统，其特征在于，还包括：供电模块，用于对所述测压模块和所述主控单元模块进行供电，还用于提供激励源。

8.根据权利要求7所述的多通道压力扫描阀系统，其特征在于，所述供电模块包括电源模块和激励源模块；

所述电源模块从外部引入直流电源，通过稳压芯片获得所需的不同内部电压；

所述激励源模块采用带隙基准电压源提供基准电压，并采用射极跟随器将基准电压进行同向和反向同比放大，输出激励电压。

9.根据权利要求8所述的多通道压力扫描阀系统，其特征在于，所述信号调理模块、所述A/D转换模块、所述主控单元模块和所述供电模块同时对应四个电路板，每两个电路板叠层设置且通过多个接插件连接。

10.根据权利要求9所述的多通道压力扫描阀系统，其特征在于，多个所述压力传感器集成为一体化八通道压力传感器，每个通气道内有一个所述压力传感器；

所述A/D转换模块选用24位AD；

所述主控单元模块包括STM32微处理器。

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