Е. Слива

Коррекция по температуре измерительных преобразователей физических величин на базе микроконтроллера MSP430F149 фирмы Texas Instruments

Устройство коррекции характеристик кремниевых измерительных преобразователей физических величин по температуре на основе микроконтроллера MSP430F149 фирмы Texas Instruments является достаточно универсальным, поскольку может использоваться как встроенный в преобразователь термочувствительный элемент, так и внутренний датчик температуры микроконтроллера. Размещение во FLASH-памяти микроконтроллера тарировочной таблицы, индивидуальной для каждого преобразователя, позволяет достичь высокой точности преобразования. Малые габариты микроконтроллера, работоспособного в расширенном диапазоне, позволяют встраивать его непосредственно в корпус датчика.

В информационно-измерительных системах энергетических и технологических установок в качестве чувствительных элементов датчиков давления, ускорения и силы [1] стремятся использовать пьезорезисторные чувствительные элементы.

Деформация упругого элемента (кремниевого или металлического) измеряется с помощью тензомоста, который формируется на его поверхности. Высокие эксплутационные характеристики и низкая стоимость этих датчиков при массовом производстве определяются микроэлектронной технологией их производства. В настоящее время наблюдается интенсивный рост производства полупроводниковых датчиков механических величин. Так, в 1994 г. их было продано на сумму 2,4 млрд. долл., а в 1997 - на 5,2 млрд. долл. [2].

Однако применение полупроводниковых датчиков в широком диапазоне температур без средств коррекции проблематично, так как коэффициент их чувствительности сильно зависит от температуры. Такая зависимость при постоянном напряжении питания для кремниевых датчиков фирмы Honeywell [3] приведена на рис. 1 и имеет достаточно общий характер, так как снижение чувствительности измерительного преобразователя при повышении температуры вызвано в основном уменьшением сопротивлений полупроводниковых резисторов, образующих тензомост. Для компенсации изменения чувствительности от температуры тензорезисторный преобразователь нужно питать напряжением в соответствии с графиком на рис. 1.

Рисунок 1. Зависимости относительного коэффициента чувствительности тензомоста и требуемого напряжения питания от температуры кремниевого датчика серии 24СР фирмы Honeywell

Для линеаризации характеристик датчиков по температуре применяют пассивные и активные аналоговые схемы, управляющие напряжением питания тензомоста в зависимости от температуры [3,4]. Фирма Motorola [3] выпускает кремниевые датчики абсолютного и дифференциального давлений серии MPX 10...906, не имеющие встроенных средств калибровки и преобразования сигнала. Диапазон рабочих температур указанных датчиков - 40...125ºС, а температурный коэффициент чувствительности, характеризующий отклонение выходного напряжения при номинальном значении измеряемого параметра, составляет от 0,16% до 0,22% полной шкалы на 1ºС. Изменение температуры от минимального до максимального значения привед╦т к изменению выходного напряжения датчика на (125 √ 40)·0,22 = 36,3%. Масса датчика составляет 2 г (для датчика MPX 100 Case 344-08). Фирма Motorola также выпускает калиброванные и компенсированные по температуре датчики серии MPX 2000. Пассивная схема калибровки и компенсации включает дополнительные резисторы, величины которых подгоняются лазером (рис. 2). Однако такая схема компенсации отличается достаточно высокой стоимостью (MPX2000 стоит примерно в два раза дороже MPX 100 в аналогичном корпусе) и низким температурным диапазоном - 0...85ºС. При этом необходимо также применять вторичную аппаратуру для усиления сигнала с датчика.

Рисунок 2. Схема коррекции датчиков давления серии MPX2000 фирмы Motorola, включающая семь подстраиваемых лазером резисторов и два терморезистора

Аналогичная схема компенсации применяется в датчиках фирмы Entran [5], которые, несмотря на свои превосходные эксплутационные характеристики (диапазон рабочих температур - -40...120ºС, наличие устойчивых к агрессивной среде моделей и малые габариты - 3,18 мм для датчиков серии EPB), имеют скомпенсированный температурный диапазон +20...+80ºС. Пассивная схема компенсации может быть выполнена как в виде отдельного модуля, так и встраиваться в датчик.

Среди отечественных разработчиков лидером в данной области является НИИФИ г. Пенза, однако, несмотря на превосходные эксплутационные и метрологические характеристики выпускаемых датчиков [6], высокая стоимость ограничивает их применение в системах общего назначения. В Технологическом центре МИЭТ создана обширная номенклатура кремниевых датчиков давления, силы, ускорения с унифицированным чувствительным элементом [7]. Эти датчики отличаются малыми габаритами, весом, высокими эксплутационными параметрами, низкой стоимостью и способны работать в широком диапазоне температур (от -55 до 85ºС). Однако дополнительная температурная погрешность, устраняемая встроенной схемой компенсации не в полной мере, делает их применение во вс╦м диапазоне рабочих температур проблематичным.

Наиболее простая схема компенсации чувствительности по цепи питания представляет собой транзистор с базовым делителем, включенный последовательно с тензомостом (рис. 3). Данная схема не позволяет снизить дополнительную погрешность до 0,2% на 10ºС [5] во вс╦м диапазоне температур от -10 до +70ºС. Более сложные аналоговые схемы, содержащие операционные усилители, также требуют более тщательной подстройки параметров [4,8,9]. Однако такие схемы не обеспечивают высокую точность во вс╦м диапазоне рабочих температур датчика. Так, для датчиков серии 3277, 3377, 3248 фирмы Kobold [9], характеризующихся основной относительной погрешностью 0,25%, диапазоном температур рабочей среды -30...+100ºС и окружающей среды - -40...+85ºС, имеют скомпенсированный температурный диапазон 0...+80ºС.

Рисунок 3. Схема коррекции зависимости коэффициента чувствительности от температуры в кремниевых датчиках ТЦ МИЭТ

Кроме того, аналоговые схемы компенсации для расширенного температурного диапазона представляются достаточно трудо╦мкими в изготовлении и настройке и, как правило, не предполагают компенсации аддитивной погрешности.

Предложенная в [10] схема температурной коррекции кремниевых датчиков построена на основе источника питания тензомоста на базе микроконтроллера, меняющего напряжение в зависимости от температуры чувствительного элемента. Данная схема может применяться в случае, когда выходной сигнал датчика - аналоговый при средних требованиях к точности преобразования.

Широкое применение наш╦л способ коррекции датчиков по температуре, при котором характеристика датчика давления аппроксимируется полиномом, коэффициенты которого являются полиномами от температуры [11]. Характеристики преобразователей описываются уравнением

p_k = C₀ + C₁U_y + C₂U_y, (1)

где p_k - измеряемое давление; C₀, C₁, C₂ - коэффициенты, зависимость которых от температуры T описывается квадратичными полиномами:

C₀ = a + bT + cT²;
~C₁ = d + eT + fT²; (2)
C₂ = g + hT + iT².

Коэффициенты полиномов (2) определяются по результатам экспериментов. Для достижения хороших результатов коррекции коэффициенты определяются индивидуально для каждого датчика. Для реализации данного алгоритма коррекции идеально подходит микроконтроллер MSP430F149, который содержит 12-разрядный 8-канальный АЦП, аппаратный умножитель, а также встроенный датчик температуры. Наличие этого датчика существенно упрощает схему и алгоритм работы устройства в случае, когда температуру тензомоста можно считать равной температуре микроконтроллера, при этом не возникает проблем с применением датчиков, не имеющих встроенного термочувствительного элемента.

Часто применяется упрощ╦нный вариант рассмотренного способа, при котором для каждого температурного поддиапазона зада╦тся линейная функция, связывающая напряжение с выхода тензомоста с измеряемым давлением. При достаточно частом разбиении на температурные поддиапазоны обеспечивается высокая точность преобразования. Так, для датчика давления Вт 206 производства НИИФИ при разбиении температурного диапазона с шагом в 10ºС погрешность преобразования не превышает 0,8ºС. Данный способ, связанный с достаточно точным аналого-цифровым преобразованием, значительными вычислительными затратами при его реализации, приводил к увеличению стоимости, габаритов и массы изделия. Применение микроконтроллера MSP430F149 позволило реализовать данный способ коррекции, избежав недостатков, указанных ниже.

Схема датчика давления (А1) с устройством коррекции (А2) приведена на рис. 4. Устройство коррекции ориентировано на применение с датчиком физических величин ТЦ МИЭТ, однако может применяться и с любыми другими кремниевыми чувствительными элементами.

Рисунок 4. Схема устройства коррекции датчика давления по температуре на базе микроконтроллера MSP430F149 фирмы Texas Instruments

Устройство построено на микроконтроллере MSP430F149 фирмы Texas Instruments [12]. Для повышения точности коррекции по температуре транзистор с базовым делителем (VT1, R1, R2) используется в качестве датчика температуры, а на тензомост преобразователя давления (R3┘R6) пода╦тся напряжение питания с номинальным значением 5 В.

Сигналы с чувствительных элементов давления и температуры через инструментальный (DА1, DА2.2) и масштабирующий усилители (DА2.1) подаются на входы 12-разрядного аналого-цифрового преобразователя (A0, A1) микроконтроллера (DD1). Преобразованные в цифровую форму сигналы NP и NT, пропорциональные напряжениям на выходе тензомоста и датчика температуры, пересчитываются в соответствии с указанной аппроксимацией и константами, запрограммированными на стадии тарировки датчика.

Запись таблицы, описывающей характеристики конкретного измерительного преобразователя, осуществляется во FLASH-память микроконтроллера через разъ╦м X2 c помощью JTAG- адаптера, входящего в комплект поставки отладочных средств MSP-FET430P140, на этапе сборки датчика или при замене чувствительного элемента.

По значению NT из тарировочной таблицы, индивидуальной для каждого датчика, выбираются коэффициенты C₁ и C₂ для соответствующего диапазона температур.

Таблица. Индивидуальные тарировочные данные датчика давления

При выходе температуры за пределы, предусмотренные таблицей, давление рассчитывается по ближайшим коэффициентам. Данные для построения указанной таблицы предоставляются поставщиком датчиков или определяются по результатам испытаний.

Целочисленное значение N, пропорциональное входному давлению, рассчитывается как линейная зависимость от входного параметра NP:

N = C₁ + C₂N_P.

В результате, полученное значение давления в диапазоне от 0 до FFFF (максимальное значение соответствует пределу измерения, например, 0,15 МПа) округляется до 10-ти старших значащих разрядов.

Питание микроконтроллера и других элементов схемы осуществляется от источников с номинальным напряжением 3,3 В (DA4) и 5 В (DA3), соответственно.

Для связи с ведущим компьютером предусмотрен последовательный канал связи "токовая петля" (X1, V1, V2). Разработан также вариант устройства коррекции с интерфейсом RS-485 и прорабатывается вариант подключения устройства на полевую шину PROFIBUS PA.

Для разработки и отладки программного обеспечения использовался пакет IAR Embedded Workbench, входящий в состав отладочных средств MSP-FET430P140 [12].

Предлагаемое устройство коррекции обеспечивает высокую точность (0,2┘0,5%) пьезорезисторных преобразователей физических величин давления, ускорения и силы, определяемую в основном стабильностью характеристик измерительных преобразователей, во вс╦м диапазоне рабочих температур. Уч╦т характеристики датчика программным способом позволяет легко автоматизировать процесс калибровки и использовать первичные преобразователи с большим разбросом параметров.

Литература

1. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Кн. 2. Пер с франц. М.: Мир, 1992.
2. Подлепецкий Б. Интегральные сенсоры:состояние и перспективы разработок // Chip News 1998 ╧ 5. С. 34√42.
3. Honeywell Silicon Pressure Sensors 24PC Series.
4. Motorola Sensor Device Data. 1995.
5. Entran Sensors&Electronics. Entran, January 1997.
6. Мокров Е.А. Создание датчиковой измерительной аппаратуры для ракетно-космической техники // Вестник Поволжского регионального отделения академии космонавтики. Самара, 1998. С. 65√70.
7. Зимин В.Н., Данилова Н.Л., Панков В.В., Подволоцкая Е.В. Микроэлектронные чувствительные элементы давления и тензомодули // Датчики и системы. 1992. ╧ 2.
8. Цивинский А.В., Одинцов А.Н. Полупроводниковый преобразователь давления со схемой термокомпенсации. Патент РФ 2084846 МПК6 G 01 L 9/04.
9. Pressure Sensors. Flow, Pressure, Level, Temperature Measuriment, Monitoring, Control. Kobold, 1997.
10. Слива Е.С. Коррекция характеристик первичных преобразователей по температуре // Вестник СГАУ. Сб.: Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Ч. 2. Самара, 1998. С. 25√29.
11. Гутников В.С. Тенденции развития электронных измерительных преобразователей для датчиков // Приборы и системы управления, 1990. ╧ 10. С. 32√35.
12. CD "Ultra-low-power Microcontrollers MSP430". Texas Instruments. 1999.