基于ZIGBEE的压力传感器标定系统的研究

摘要：针对随钻测量系统中压力传感器需要标定的问题，本文采用C8051F060作为微处理器，配合ZIGBEE无线传输模块及标准自动加压台，设计了一种对未知压力传感器进行智能标定的系统，经过室内试验和现场试验验证，这种压力标定系统具有易操作、稳定性好、精度高等特点，可以满足压力传感器标定要求。
关键词：无线数传；传感器标定；最小二乘法；USB

    在旋转导向钻井中，随钻测量的信息主要靠泥浆脉冲传递，因此，压力信息的采集就则显得极为重要。压力传感器在使用一段时间后，因为各种原因造成误差偏大，并且需要校准。压力传感器一般采用电桥式电路结构，以提高输出灵敏度。但一个微应变电桥输出只有2 mV左右，即使在满载情况下，应变片的最大输出也只20 mV左右，这就要求前置测量放大电路具有高增益、高精度、低噪声和低漂移等特点，而
一般的运放和A／D不具备上述特点，使用内置PGA的4．8 kHz、超低噪声、24位∑-△型的A／D，AD7190则可以较好的解决上述问题。另外传统的压力传感器的标定都是使用于摇式活塞压力台，效率低下，人为误差较大，且比较危险。本系统通过软件控制自动加压台，在不同梯度下对压力传感器进行标定，提高了标定效率和精度，且较为安全。

1 整体方案
    系统设计方案如图1所示。系统主要由信号调理模块、数据采集模块、数据传输模块、及上位机软件处理等模块组成。其中A／D采集模块，使用内置PGA的4．8 kHz、超低噪声、24位∑-△型的高精度A／D；通汛接口采用通用的RS232串行接口；无线传输模块采用了频率为2．4 GHZ的ZIGBEE通讯模块，具有较高的数据通讯速率，ZIGBEE具有自组网的能力，对多组网及后续设备的升级有很好的扩展性；控制芯片采用了C8051F060，其丰富的硬件资源，使得系统大大简化；接口模块采用了PL2303芯片将RS232转换成USB总线，方便与计算机连接；数据处理模块采用了常用的个人PC机，相对一般的MCU在处理数据的速度和能力上均有明显优势。

2 系统原理
    最小二乘法是一种在多个学科领域中获得广发应用的数学处理方法，可以用来拟合经验公式以及回归等数据处理问题。其原理如下。

    以上就是最小二乘法的正规方程，也是最终用来计算的方程。

3 系统硬件设计
    1)电源电路设计及实现
    如图2所示，ADP3303属于ADP330x系列精密低压差anyrCAP稳压器，采用新颖的架构、改良的工艺和新封装，与传统LDO相比性能更出色。它采用专利设计，仅需一个0．47 μF输出电容便可保持稳定。ADP3303在室温条件下可达到±0．8％的出色精度，温度、线路和负载调节的整体精度为±1．4％。200 mA时，其压差仅180 mV(典型值)。

    ADP3303具有较宽的输入电压范围(3．2～12 V)，并提供200 mA以上的负载电流。该器件具有一个错误标志，当该器件即将产生失调时，或者短路、热过载保护激活时，该错误标志会显示相关信息。其它特性包括关断和可选降噪功能。
    2)AD采集电路的设计及实现
    压力传感器广泛的采用压阻式设计，压阻式传感器是利用半导体的电阻率随应力变化的性质制成的半导体器件，它在半导体材料的基片上用集成电路工艺扩散电阻，并将扩散电阻直接作为敏感元件。硅压阻式压力传感器的核心部分是一圆形硅膜片，集成在硅片上的4个等值电阻连成平衡电桥，当被测压力作用于硅片上时，电阻值发生变化，电桥失去平衡，产生电压输出。外界压力通过外壳的直接加到传感硅片上，引起传感硅片上惠斯通电桥的4个电阻阻值发生变化。
    为了获得精确的压力值就必须给AD和传感器提供高精度的电压参考源，ADR421为超精密、第二代外加离子注入场效应管(XFET)基准电压源，具有低噪声、高精度和出色的长期稳定特性，采用SOIC和MSOP封装。利用温度漂移曲率校正专利技术和XFET技术，可以使电压随温度变化的非线性度降至最小。XFET架构能够为带隙基准电压源提供出色的精度和热滞性能。与嵌入式齐纳二极管基准电压源相比，还能以更低的功耗和更小的电源裕量工作。ADR421具有出色的噪声性能、稳定性和精度，非常适合高精密数据采集、转换等应用。在本系统中为压力传感器供电，激励传感器将物理信号转换成电信号。

    如图3所示，AD7190提供集成式压力传感器解决方案，具有压力传感器接口，可以直接连接压力传感器，其中AIN+、AIN-是压力传感器的输出端，REF-、REF+为传感器激励电压。为了提高系统精度需在模拟输入端采用一些滤波器，本系统使用的是低通滤波器。在基准电压引脚上配置一些电容等外部元件，以满足电磁屏蔽(EMC)要求。AD7190的DIN、DOUT／RDY、SCLK、／CS、／SYNC分别于C8051F060的P3．0-3．4连接。
    来自压力传感器的低电平信号由AD7190的内置PGA放大。该PGA经过编程，以128的增益工作。AD7190的转换结果送至微控制器C8051F06 0，并通过ZIGBEE模块传输至上位机进行储存和处理。AD7190具有单独的模拟电源引脚和数字电源引脚。模拟部分必须采用5 V电源供电。数字电源独立于模拟电源，可以为2．7～5．25 V范围内的任意电压。微控制器采用3．3 V电源。因此，DVDD也采用3．3 V电源供电。这样就无需外部电平转换，从而可以简化ADC与微控制器之间的接。
    3)数据传输电路的设计及实现
    XBee ＆ XBee-PRO 802．15．4OEM无线射频模块，具有很强的协议兼容性，可以很好的匹配ZIGBEE网络，无须额外射频通讯配置。只需将MCU的UART端口与相对应的ZIGBEE模块的RTS、CTS、GND对应连接即可，可以使用标准AT指令配置工作方式，默认波特率为9600bps。

4 系统软件设计
    根据设计的要求和软硬件模块划分，本系统的软件主要完成数据采集、温度采集、数据传输、控制加压程序数据处理、最终给出标定报表等相关参数。其中数据采集，温度采集，及数据传输部分由下位机完成。信息的显示及处理有上位PC进行处理。MCU运行后首先对系统进行初始化操作，其中初始化包含，晶振初始化，端口初始化，通讯初始化等；然后启动温度采集及数据采集，待到数据达到传输要求时，进行数据传输；在上位机得到数据传输结果时开始对数据进行分组处理，最后使用最小二乘法对数据曲线进行拟合，最终得出软件设计流程；上位机软件流程图如图4所示，下位机软件如图5所示。

5 试验数据及分析
    1)P=f(T，V)，存室温下可以忽略T的影响，即P=kv+b，其中K为标定系数，b为起始基准；
    2)试验数据处理拟合公式：
    y(MPa)=abx(bit)     (5)
    由3组正反行程测得的数据进行绘图如图6所示，每一台阶都是对同一个压力点进行多次采样获得，台阶的“横线”为测试值的平均值，求取平均值可以去除一定的干扰且可以接近真实值。鉴于测试数据量较大，此处以图表的形式直观而形象的表征压力传感器标定的方法及过程。从图6中可以看出，量化台阶并非是直线，这就说明在传输的过程中有高频信号的十扰，可以使用数字滤波的方法是测试的值较为准确的接近真实值。

    如图6所示，横轴为采样点数，即相对时间，纵轴为压力量化台阶值(压力信号转化成的数字量)。每一个台阶都包含相同压力下采样的大量数据。压力传感器标定试验，在一定的时间间隔内从低压加开开始加压至高压，然后逐步按照等间隔时间泄压，反复行程3次，通过滑动平均值求出其稳定值。最终进行最小二乘法数据拟合。得出相关压力参数。使用时用式(1)～(5)变换即可得出实际压力值。

6 结论
    该压力标定系统通过现场实验的测试，具有稳定、高效、可靠等特点，通过多次实验验证了该系统的精度和准确性，达到了设计要求，可以满足工程测量及标定要求。同时为后续系统升级扩展提供了理论和硬件基础。