基于無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓力傳感器無(wú)線采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

隨著無(wú)線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展并應(yīng)用到傳感器技術(shù)中，使壓力傳感器的無(wú)線數(shù)據(jù)采集成為可能，其特有的性能比傳統(tǒng)壓力傳感器更具優(yōu)勢(shì)。它可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域（如高溫、嚴(yán)寒、高濕的區(qū)域，受到污染的區(qū)域或環(huán)境被破壞的區(qū)域）和一些臨時(shí)場(chǎng)合等，實(shí)現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測(cè)試，這也是信息時(shí)代測(cè)試的必然趨勢(shì)。

1 、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的壓力傳感器無(wú)線采集系統(tǒng)由前端傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)射部分及末端的數(shù)據(jù)接收部分組成。圖1所示為傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)射部分（上）和接收部分（下）的方框圖。

傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)射部分由壓力傳感器、溫度傳感器、信號(hào)處理部分、微處理器（一般是單片機(jī)）和無(wú)線發(fā)射電路組成。壓力和溫度傳感器獲取周圍環(huán)境的壓力、溫度值。信號(hào)處理部分包括前項(xiàng)通道、程控放大器和A／D轉(zhuǎn)換器，其功能是在程序控制下對(duì)傳感器模擬信號(hào)提取放大，并進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。微處理器負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)各部分器件的工作并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。無(wú)線發(fā)射電路在微處理器的控制下，由編碼器將采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的編碼和處理，并用發(fā)射模塊發(fā)射出去。

數(shù)據(jù)接收部分由無(wú)線接收電路、微處理器和顯示部分組成，在微處理器控制下接收無(wú)線電傳來(lái)的數(shù)據(jù)。當(dāng)一組格式數(shù)據(jù)接收完畢后，由接收電路里的解碼器對(duì)格式數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，獲取環(huán)境當(dāng)前的壓力信息，然后將壓力信息顯示在LED接收面板上。

2 、硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器

傳感器采用的是帶有感溫二極管的硅壓阻壓力傳感器，被封裝在專門制作的金屬外殼中，通過(guò)多芯電纜與外圍電路連接。壓阻傳感器的4個(gè)電阻組成橋路，用1 mA恒流源激勵(lì)。感溫二極管用來(lái)檢測(cè)環(huán)境溫度，以供給單片機(jī)部分溫度參數(shù)。

2.2 程控放大器

程控放大器由模擬開關(guān)、輸入放大器及接口電路組成。其作用是在程序控制下，分時(shí)選通壓力信號(hào)與溫度信號(hào)送入放大器輸入端，與此同時(shí)還可以同步選擇出此二路信號(hào)相應(yīng)的增益，經(jīng)放大器放大后分別輸出A／D轉(zhuǎn)換器所要求的壓力、溫度電壓信號(hào)，以便進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

我們選用的CD4052為雙四通道模擬開關(guān)，用以選擇壓力、溫度信號(hào)。放大器AD623是一個(gè)集成單電源儀表放大器，它能在單電源（3～12 V）下提供滿電源幅度輸出。

2.3 A／D轉(zhuǎn)換器ICL7135

ICL7135是高精度四位半CMOS雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器，具有如下特點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)換速度為3～10次／s，分辨率相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換誤差為±1 LSB，轉(zhuǎn)換精度高。（2）量程范圍0～1.999 9 V。（3）對(duì)輸人的模擬信號(hào)過(guò)（欠）量程能夠識(shí)別；具有自動(dòng)轉(zhuǎn)換和自動(dòng)調(diào)零功能，可保證零點(diǎn)在常溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。（4）與單片機(jī)可直接連接，不需地址選擇信號(hào)。當(dāng)ICL7135工作于雙極性情況時(shí)，時(shí)鐘最高頻率為125 kHz，可采用555定時(shí)器作為ICL7135的CLK時(shí)鐘輸入。當(dāng)ICL7135的積分器在積分過(guò)程中（對(duì)信號(hào)積分和反向積分），其BUSY端輸出高電平，積分器反向積分過(guò)零后輸出低電平。ICL7135的POL端為極性輸出端。當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)POL輸出高電平；當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)POL輸出為低電平。B1、B2、B4、B8是BCD碼輸出端。A／D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓的精度和穩(wěn)定性是影響轉(zhuǎn)換精度的主要因素。為保證ICL7135的轉(zhuǎn)換精度，我們采用高準(zhǔn)確度、低溫漂的帶隙基準(zhǔn)電壓源MC1403向其提供1 V的基準(zhǔn)電壓。A／D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的基本連線見(jiàn)圖2。

2.4 無(wú)線發(fā)射部分

發(fā)射電路部分由PT2262編碼器和F05發(fā)射模塊組成。其中PT2262是一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編碼電路，能將數(shù)據(jù)和地址編譯成代碼的波形。它最大有12位（A0～A11）三態(tài)地址端管腳（懸空，接高電平，接低電平），共有531441種地址代碼。最大有6位（D0～D5）數(shù)據(jù)端管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳串行輸出。信號(hào)格式如圖3所示，編碼時(shí)序如圖4所示。

F05具有較寬的工作電壓范圍及低功耗特性，當(dāng)發(fā)射電壓為3 V時(shí)，發(fā)射電流約2 mA，發(fā)射功率較小，12 V為最佳工作電壓，具有較好的發(fā)射效果，發(fā)射電流約5～8 mA，大于12 V直流功耗增大，有效發(fā)射功率不再明顯提高。F05系列采用AM方式調(diào)制以降低功耗，數(shù)據(jù)信號(hào)停止，發(fā)射電流降為零。數(shù)據(jù)電平應(yīng)接近F05的實(shí)際工作電壓以獲得較高的調(diào)制效果，F(xiàn)05對(duì)過(guò)寬的調(diào)制信號(hào)易引起調(diào)制效率下降，收發(fā)距離變近。當(dāng)高電平脈沖寬度在0.08～1 ms時(shí)發(fā)射效果較好，大于1 ms后效率開始下降；當(dāng)?shù)碗娖絽^(qū)大于10 ms，接收到的數(shù)據(jù)第一位極易被干擾（即零電平干擾）而引起不解碼。如采用CPU編譯碼可在數(shù)據(jù)識(shí)別位前加一些亂碼以抑制零電平干擾，若是通用編解碼器，可調(diào)整振蕩電阻使每組碼中間的低電平區(qū)小于10 ms。平時(shí)F05輸入端應(yīng)處于低電平狀態(tài)，輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)應(yīng)是正邏輯電平，幅度最高不應(yīng)超過(guò)F05的工作電壓。F05應(yīng)垂直安裝在印刷電路板邊部，應(yīng)離開周圍器件5 mm以上，以免受分布參數(shù)影響而停振。發(fā)射部分電路見(jiàn)圖5。

2.5 無(wú)線接收部分

接收電路部分主要由PT2272解碼器和J05接收模塊組成。其中PT2272最多可有12位（A0～A11）三態(tài)地址端管腳，任意組合可提供531441地址碼，最多可有6位（D0～D5）數(shù)據(jù)端輸出管腳，17腳為解碼有效指示輸出，PT2272分為鎖存型輸出或非鎖存型輸出。

J05接收模塊采用超外差，二次變頻結(jié)構(gòu)，所有的射頻接收、混頻、濾波、數(shù)據(jù)解調(diào)，放大整形全部在芯片內(nèi)完成，接收功能高度集成化。具有二種工作方式選擇，以適合解調(diào)不同的數(shù)據(jù)速率。當(dāng)?shù)?腳懸空（內(nèi)部已上拉為高電平）時(shí)，射頻接收帶寬較寬，可適應(yīng)發(fā)射頻率精度誤差較大的聲表諧振器穩(wěn)頻的發(fā)射機(jī)及一般的LC發(fā)射機(jī)。當(dāng)?shù)?腳接地時(shí)，射頻接收帶寬較窄，解調(diào)濾波器帶寬較大，但要求配套的發(fā)射機(jī)必須具有較高的頻率精度及穩(wěn)定度，發(fā)射頻率必須由晶體或精度較高的聲表諧振器穩(wěn)頻。接收部分電路見(jiàn)圖6。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 前端系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

智能壓力傳感器前端系統(tǒng)軟件包括初始化程序、壓力和溫度的數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)字濾波程序、測(cè)量算法程序、發(fā)送程序等部分組成，源程序流程圖如圖7所示。

系統(tǒng)初始化程序包括堆棧指針的設(shè)置、中斷源控制字設(shè)置和有關(guān)工作單元的初始化等。對(duì)于壓力信號(hào)的選通采用INT1申請(qǐng)中斷，在中斷處理程序中執(zhí)行數(shù)據(jù)采集等任務(wù)，如圖8所示。在單片機(jī)與ICL7135的R／H相連的P3.4口輸出一個(gè)正脈沖，則開始啟動(dòng)A／D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在A／D轉(zhuǎn)換期間STRB端口為高電平，在A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，STRB端口輸出5個(gè)負(fù)脈沖?？梢岳肧TRB端口的下降沿請(qǐng)求中斷，連續(xù)響應(yīng)5次INT1中斷即為一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。單片機(jī)P0.0～P0.3口通過(guò)B1～B84位端口依次讀入萬(wàn)、千、百、十、個(gè)位的BCD碼。當(dāng)所有位數(shù)BCD碼讀完，數(shù)據(jù)存入RAM單元后，即完成一次壓力信號(hào)的讀取。對(duì)于溫度信號(hào)的選通測(cè)量也采用類似的方法，這里不再贅述。目前關(guān)于數(shù)字濾波的方法很多，有算術(shù)平均濾波、加權(quán)平均濾波、中值濾波和復(fù)合濾波等方法。本系統(tǒng)采用的是復(fù)合濾波方法，此法首先將n次采樣值按大小排隊(duì)，然后去掉最大值和最小值，再對(duì)剩下的n-2個(gè)采樣值求算術(shù)平均值。復(fù)合濾波法既可以去掉脈沖干擾，又可以對(duì)采樣值進(jìn)行平滑加工，它兼有中值濾波和算術(shù)平均濾波的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于溫度引起的壓力傳感器熱零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，我們采用的是非線性函數(shù)多項(xiàng)式擬合的規(guī)范化方法。在程序中通過(guò)擬合出的規(guī)范化多項(xiàng)式，對(duì)壓力值進(jìn)行溫度漂移的補(bǔ)償計(jì)算。最后得到的壓力值數(shù)據(jù)經(jīng)P1口發(fā)送到PT2262數(shù)據(jù)端，由PT2262編碼送F05發(fā)射數(shù)據(jù)。

3.2 接收端的軟件實(shí)現(xiàn)

接收端的軟件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，主要是解碼器PT2272將J05接收來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)的P1口，經(jīng)單片機(jī)處理后由P2口發(fā)送給LED顯示。具體流程圖見(jiàn)圖9。

4、實(shí)測(cè)結(jié)果分析

測(cè)試時(shí)將數(shù)據(jù)采集發(fā)射電路與信號(hào)接收裝置相距20 m左右，將壓力傳感器置于恒溫槽中，在不同的溫度下進(jìn)行了分組壓力測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于在智能傳感器系統(tǒng)中融入了溫度信息，并且應(yīng)用多項(xiàng)式擬合的算法對(duì)壓力值進(jìn)行了零點(diǎn)漂移補(bǔ)償計(jì)算，所以基本消除了溫度對(duì)壓力傳感器輸出信號(hào)的影響。但是當(dāng)溫度升高時(shí)，誤差相對(duì)增大，最大誤差為

此外，該壓力傳感器系統(tǒng)由于采用了無(wú)線技術(shù)來(lái)傳送采集到的數(shù)據(jù)信息，因此應(yīng)用起來(lái)更加靈活可靠。尤其在一些環(huán)境惡劣的場(chǎng)所，較之傳統(tǒng)的有線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，有利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該壓力傳感器無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。

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