基于STM32F103的智能压力变送器研究与设计

随着电子技术的发展，工业过程控制对变送器性能的要求也日益提高，溅射薄膜传感器利用陶瓷介质代替了传统的应变式压力传感器的粘贴胶层，使其在稳定性 、耐高温、高输 出阻抗等性能方面得到了极大的提高。然而其测量压力值仍然会受到温度等外部因素影响而产生系统特性漂移 ，如零点漂移、灵敏度漂移等是传感器系统最主要的干扰量n 。传统压力传感器主要采用硬件来消除其影响，但成本高，适应性较差，而在压力传感器与微控制器相结合的智能压力变送器系统中，主要通过软件来实现，这种方法省去了复杂的硬件电路设计 ，简化了装置，并且可以发挥微控制器的智能作用，成本低、适应性广 ]。

收稿 日期：2012.09-13基金项 目：航天44所某型号高温测量技术研究项 目资助(GK092002.K)本文以 STM32F103嵌入式微处理器为核心 ，采用分段最小二乘法对薄膜式传感器的输出信号进行非线性补偿，实现了压力变送器补偿过程的智能化。

1 系统硬件设计系统结构主要包括薄膜压力传感器、信号调理电路、嵌入式微处理器、数/模转换器和液晶显示等拈，系统原理框图如图 1所示。薄膜传感器输出的微弱信号通过信号 调理 电路进行放大后 ，由模/数转换 器AD7799将模拟信号转换成数字信号后送至微处理器进行非线性补偿、温度补偿等-系列的数据处理，最终通过无线通信拈将测量数据实时的传送到数据中心，用以管理人员进行监控p]。智能型压力变送器采用压力传感器和温度传感器分别测量两个 目标参量，利用线性回归分析法 ，将两个输出信息进行融合处理，从而提高两个目标参量的测量精度。

1.1 嵌入式微处理器在智能压力变送器硬件电路的设计中，关键是采用142 现代电子技术 2013年第36卷STM32F103微处理器来实现信号的补偿运算和通信的控制。STM32F103是-款中等容量增强型的低功耗ARM处理器 ，其核心带有 128 KB闪存程序存储器 ，高达 20 KB的SRAM，处理器工作电压为2.0-3.6 V，并且带 有可编 程 电压 检测 器(PVD)，最低 工作 电流为0.1 A，有3种低功耗工作模式：睡眠模式、停机模式和待机模式，其中在待机模式下内部电压调压器被关闭，因此所有的内部 1.8 V部分的供电被切断；PLL，HSI的RC振荡器和HSE晶体振荡器也被关闭，从而实现工作的低功耗。微处理器内部集成有2个 8通道的 12位ADC模，数转换器 ，1 s的转换时间，同时带有 2个 I C接 口、2个 USART接口、2个 SPI接口、1个 CAN接口和USB全速接口，方便各种通信数据的传送。

压力传感器测温元件转换器传感器参数存储图 1 智能变送 器的原理框 图1.2 信号调理拈信号调理拈的功能主要是将传感器输出的微弱信号进行放大，以满足输出需要的范围。本设计中采用AD公司生产的仪表放大器AD620。这是-款低功耗、高精度的仪表放大器，仅需要-个外部电阻就可设置增益，增益范围为1～10 000，且具有低失调电压(最大5O V)和低失调漂移(最大0.6V/C)等特性。如图2所示 ，尺 。

为增益调节电阻，用OP07构成-个电压跟随器来调节AD620的零点” 。

1100 kn图2 信 号调 理电路1.3 通信拈设计利用无线通信拈ZigBee来实现GSM，CDMA，3G，WiFi多种通信网络的连接 ，利用 GPS拈实现与卫星的连接。在各网络下，通过ZigBee来实现无线传感网的自主组网～测量数据实时的传送到中心服务器。

图3 无线通信拈原理框 图2 系统软件设计系统软件部分主要是微处理器内部非线性补偿计算、通信数据控制和液晶显示的程序设计 ，此外 ，信息融合的算法和非线性补偿过程中涉及矩阵运算，需要建立矩阵运算函数库。

. 1 微 处理 器程序设计微处理器的程序设计根据变送器低功耗工作的不同状态分为：睡眠模式、停机模式和待机模式▲入程序入口。系统默认为工作模式，定时采集压力和温度信息，通过最小二乘法补偿后，输出数字信号。在不采集数据的情况下，系统自动进人睡眠模式，该模式下系统将关闭CPU和相关的时钟信号，保持低功耗状态，直到收到采样命令时再重新进入工作模式，从而达到减低功耗的目的。并且在此变送器的软件设计中还设计了系统自我诊断，在系统设备的实效、维护、测量超范围和功能拈工作情况4个方面进行检测诊断，从而使用户更加方便、安全有效地对变送器进行监控 。

失效中断-。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。- 现场设备发生故障，导致输出信号错误。

超范围中断l i现场设备的输出信号正确，l I现场的输入、输出但是有部件处于疲劳状态，lI设备信号超出正常建议进行设备维护。 l1 的性能指标。

图4 故障中断子程序流程图2.2 非线性补偿算法设计为了简化传感器生产工艺，在不降低重复性和滞后第4期 薛 忠，等：基于STM32F103的智能压力变送器研究与设计 143这两项指标的前提下，通过线性修正提高非线性误差指标 。在这里采用分段最dx-乘法进行数据拟合，即在传感器标定时，旧能多的进行多点标定，建立-个每- 载荷值对应-个数据采集值(A/D转换值)的图表 。

这时，传感器的非线性误差就由原来的满量程误差(传感器零点和满程点之间的连线与传感器实际输出曲线之间的最大偏差)变小为每-个折线段与传感器实际输出曲线之间的偏差的最大值。通过这种方法，在不降低重复性和滞后这 2项指标的前提下 ，明显的可以改善和提高传感器的非线性误差指标。同时通过查表法，在不知道载荷值的情况下，可以快速的由数据采集值(A/D转换值)检索到真实的载荷值 。

假设总共有n个采样值样本(u ，)，。]， ，Y ， ，，Y )，其非线性方程为：Yi(u )口。口1M 口2u "-aj/ anM n， 0，1，2，， (1)则待定常系数的确定，若当n3时，列出4个方程，所以最少需要4个标定点。根据最小二乘法可以得出以下式子 ：[y1 u1)a001 l02 63 -Y1] △[Y2(U：) aoaiu2a2u'"6/，3/92-yz] △； (2)[y u )00a1u 02 ：03u：-y ] △：做 误 差 的平方 之 和 ：F( ， ) )aoaltia2u 。， ] △ 。

为使 F为极小值 ，分别对 a。，o。，，a 求偏导数，并使结果为零，得：OF2砉 ) u ， '1，2，，n即 ：nZta。o。M amu -y i∑[ .·。 Jiln。∑，口，∑ 。 ∑ -∑Y u 0i1 i1 i1 1即系数 a。，a ，，a 应满足下面方程组：。。∑u，n。∑u 口 ∑u ∑y u ，jo，1，，凡l l 1 l方程组的系数是-个对称矩阵，并且是正定的。由它可以惟-的解出系数 ao，a -，a ，代人m次多项式即为所求的拟合多项式。

其拟合优度 可以计算如下：R21-式中：厂 、2I∑ySSEZ[Y -y(u )]。； ∑y 2-取值在O-1之间，它表示了拟合结果与实际测量值之间的符合程度，其值越接近于1，可靠性就越好。

3 实验分析微处理器STM32F103在不同温度环境下采集大气压力数据如表 1所示 ，为了验证系统的非线性补偿效果 ，利 用 精 度 为 s1.7 mV/V 的溅 射 薄膜 传 感 器在-l0℃，25℃和60 oc-个温度点下测量，智能压力变送器的模拟输出值如表2所示。

表1 不同温度下测得的压力值压力值 /MPa温度 /℃ - - 0 4 8 16 24 32从上面的Matlab仿真图中可以看出，经过算法补偿后 ，变送器 的线性误差从原来 的0.5%左右提高到了0.1%左右。测量数据的线性度大大提高。

皇- R蚓罢皇趔 - R2。o厂i---T --/ L --- - -I. -]4电 值 /mY)变 送 器 在 60 ℃ F电 图 5 变送 器输 出的模 拟值(下转第146页)9 9 9 6 7 7 姗4 4 4 3 3 3 呲螂邶 ∞146 现代电子技术 2013年第36卷图3 主 系统流程 图图4 从 系统 流程 图2.2.4 支持与岸上上位机的程序接口当系统从海底打捞回收之后，不需要拆卸系统，只需要用-根网线连接嵌人式系统与上位机(如PC机)，嵌入式系统就会自动连接上位机并且根据上位机的命令操作，将存储在SD卡上的数据通过网线上传到上位机。

3 结 语通过长时间的实验与调试，结果表明系统可以稳定的实时采集数据，程序结构灵活稳定，修改方便。然而目前系统上电启动时间较长 ，可以通过对Linux内核的裁剪去除-些不需要的工作拈 ，使系统进-步优化 ，来改善系统启动时间较长的问题。