ZMD31050 在力传感器智能信号修调技术中的应用

李 纯，程静贤，李 琦

(中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳621000)

0 引 言

近年来，随着电子技术和信息技术的飞速发展，力测量已经深入到科研和工程技术的各个领域，在工业现场有大量的测力点需要测量显示。选择高性能、具有数字接口的信号调理器，将传感器信号转换为数字信号进行传输显示，解决工控现场干扰的影响，显得尤为关键。ZMD31050 是一种高集成、高精度桥式传感器信号处理CMOS 集成电路，将传感器信号转换为数字信号进行输出，且外围电路简单，具有能耗低、安全可靠等特点。本文介绍了ZMD31050 在力传感器测试仪实际应用中，对传感器信号调理，提高测试仪整体精度。

1 ZMD31050 芯片［1］简介

ZMD31050 是高精度桥式传感器信号处理的CMOS 集成电路。该产品提供了传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性的数字补偿，内部有一个16 位的RISC 微控制器运行校准公式，校准系数存放于EEPROM 中。

ZMD31050 工作原理如图1 所示。

图1 ZMD31050 工作原理Fig 1 Working principle of ZMD31050

ZMD31050 的信号分为模拟部分和数字部分。从桥式传感器出来的信号在PGA 中进行预放大，MUX将该信号与外部二极管或分立温度传感器信号按照某种序列传送给A/D 转换单元。其后，A/D 转换单元对这些信号进行A/D 转换。在CMC 中对数字信号进行校正，校正是基于ROM 中存放的校正公式和EEPROM 中存放的校准参数来进行的。根据对输出的配置将传感器信号以模拟量、数字量、PWM 的形式输出，输出信号由串行接口和FIO1，FIO2提供，数据配置和参数校准可以通过数字接口SIF 实现。

2 硬件电路设计

如图2 所示，测试仪主要由力传感器、ZMD31050 信号调理和51 单片机三部分组成。

图2 硬件结构框图Fig 2 Structure block diagram of hardware

传感器电桥部分主要将力信号通过惠斯通电桥转换为0～20 mV 微电压信号;ZMD31050 信号调理部分完成传感器供电和采集传感器电压信号，并通过信号调理放大为0～5 V电压信号输出;51 单片机部分主要实现对ZMD31050芯片编程，接收传感器信号，并通过滤波、转换、存储后输出显示［3～5］;键盘控制部分主要实现传感器标定校准功能。

图3 给出了基于ZMD31050 的力传感器测试仪应用电路图。

3 软件设计

3.1 主程序

力传感器测试仪选用AT89C51 为外部微控制器。通过I2C 串口与ZMD31050 进行数字通信，读取传感器信号并显示。主程序流程图如图4 所示。

程序先对单片机进行初始化，包括端口、计时器等，接着进行键盘扫描，判断是否有键盘操作，然后对ZMD31050发送读数指令，等待芯片应答后，开始持续读取ZMD31050调理器采集的传感器数据，经过滤波转换后输出显示。

图3 力传感器测试仪应用电路图Fig 3 Application circuit diagram of test instrument of force sensor

3.2 传感器信号修正

设计中，采用线性插值法［5］拟合曲线，传感器非线性调整。根据传感器实际，对传感器测量范围进行分段标定，对应的标定值与实际值之间求得修正值αn，将αn和计算公式 Y=Yn－1+ αn(Y'n－ Y'n－1)(其中，Y 为理论输出值;Y'为实际测量值)存入EEPROM。通过对当前采集值大小判断，调用相应的αn修正值和计算公式，很容易得出传感器修正后的数值。同时，利用ZMD31050 片内温度传感器采集环境温度，对传感器当前数据进行校准输出。

为了提高测试仪的精度和可靠性，采用限幅滤波和算术平均滤波［6］对传感器数据采集值进行处理。先经过连续采样 N 次，得到采样数据(i =1，2，…，N)，对 Xi进行排序，去掉最大值和最小值，得到中间N －2 个数据。对这N－2个数据进行算术平均运算，得到xi，Xn即为当前点的采集值，排除了测试仪在工作中产生的极值干扰和偶然干扰。

4 实验结果

100 kgf 力传感器测试仪原始标定数据如表1 所示。

表1 力传感器原始数据Tab 1 Raw data of force sensor

100 kgf 力传感器测试仪线性修正后标定结果如表2 所示。

5 结 论

ZMD31050 在100 kgf 力传感器测试仪的应用中，信号修正前，传感器精度约为0.5%FS，经信号修正后，标定结果精度优于0.2%FS，精度达到预期设计效果，在工程应用中，该测试仪工作稳定性好。如果要求更高精度，则需要配合其他线性修正方法，并考虑传感器温度特性等条件进行调整。

表2 修正后数据Tab 2 Revised data

［1］ ZMD31050.Advanced differential sensor signal conditioner［DB/OL］.［2008-09-04］.http:∥ www.servoflo.com/downloads/zmd31050.pdf.

［2］ 何立民.MCS-51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术［M］.1 版.北京:北京航空航天大学出版社，2004:36－48.

［3］ 李朝青.单片机原理及接口技术［M］.3 版.北京:北京航空航天大学出版社，2005:76 －80.

［4］ 王福瑞.单片微机测控系统设计大全［M］.2 版.北京:北京航空航天大学出版社，2000:57 －88.

［5］ 段 红.电子秤非线性自动修正方法［J］.计量技术，2000(8):35 －36.

［6］ 唐露新.基于非线性误差修正的智能水质检测仪的研制［J］.计算机测量与控制，2011，19(1):225.