基于自主传感器信号调理芯片温度补偿的软件设计

0 引言

针对压力传感器在应用中容易出现温度漂移的问题，开发了智能压力传感器温度补偿系统。该方法采用现代信号调节技术，以信号调节芯片为核心，通过插值法拟合采集的温度补偿参数，实现压力传感器温度漂移的高精度补偿。

在实际应用中，大多数压力传感器是集成单臂桥和差分输出信号的压力阻力传感器，具有灵敏度高、线性高、稳定性好等优点。但由于硅压力阻力传感器使用的半导体材料硅的固有特性，传感器存在一致性差、温度漂移和非线性问题[1]。同时，由于其扩散电阻的温度系数大和生产工艺，在宽温区限制其高精度[2]。

软件补偿是利用计算机的强处理能力，通过一系列补偿算法纠正压力传感器温度变化引起的漂移。该方法不仅可以补偿温度变化对压力传感器的影响，而且可以改善非线性指标，是提高压力传感器精度的有效方法。与硬件补偿相比， 软件补偿效果好，精度高，成本低。

1 补偿流程及核心算法

1.1 传感器补偿流程设计

本文设计的温度补偿系统分为两部分：温度预设点下的预补偿过程和正式补偿过程。由于桥梁电阻、灵敏度、输出电压范围等参数差异较大，需要在常温下对压力传感器进行预补偿，以确保芯片内部电路在线和可调范围内工作。如图1所示。预补偿过程通常在室温下进行，以计算正式补偿过程中各种寄存器的初始化值。正式补偿流程可在预补偿后进行。

正式补偿流程图如图2所示。补偿的主要内容是获得设定温度点的灵敏度补偿系数 FSO、偏移系数补偿系数 OFFSET。

HKA2910可以设定1~待定补偿的温度点为114个。若只进行单点温度补偿，则写入Flash不同温度的补偿数据是相同的。在进行两点温度补偿时，将线性拟合不同温度的校准数据。在三点或三点以上的温度补偿时，软件将拟合不同温度的校准数据。

1.2 补偿数值拟合算法

如果实验方法是-55 ℃～ 150 ℃测量每个温度下的补偿系数将是一项非常耗时和重复的工作，这是不必要的。通常，选择有限的离散温度点来校正压力传感器，然后记录这些温度点上的补偿系数，并使用软件算法在每个温度点获得补偿系数。

采用软件算法实现离散数据的线性化，通常包括查表法和插值法。查表法获得的数据的线性度与表数据的数量有关。数据越多，线性度越好，但数据越多，存储空间越大[3]。

该系统采用插值法拟合数据，线性插值法是一种常用的插值法。如图3所示，X为自变量，Y它们是非线性们是非线性的。插值法将自变量X分为n个均匀区间，每个区间的端点Xn都对应一个Yn。实际测量值X将落在一定范围内(Xn，Xn 1)内，设y=f(x)。可用范围的端点值获取函数表达式f(x)的值。

采用线性插值法，只要区间分得足够多，就能达到所需的计算精度。

2 软件介绍

为了配合设计的补偿流程，软件通过C#语言开发。C#提供大量的可视化控制器和第三方提供的各种强大的控制资源来设计交互式操作界面，实现数据发送和接收、参数设置、传感器校准、数据处理和生成。

2.1 主界面

系统的主要操作界面如图4所示，包括工具栏、校准参数区、用户信息区和补偿初始值区。

修改校准参数中的参数值可以改变校准结果的精度。温度点越多，绝对误差越小，校准结果的精度越高。

信号调理芯片中的寄存器值可以通过修改界面中的值来修改。

点击操作按钮后，界面与芯片通信，补偿芯片中寄存器的初始值区域。设置校准参数后，点击预校准，根据提示步骤测量指定压力下的电压，获得预校准后各寄存器的值，然后在需要测试的温度上进行主校准，获得多个温度点FSO、Offset寄存器值在多个不同温度下FSO、Offset将寄存器值拟合得出温度范围内的每个温度点FSO、Offset寄存器值，并写入Flash软件校准结束。

2.2 校准记录界面

校准步骤为主校准时FSO、Offset校准记录界面中记录了寄存器值和测量电压的变化，如图5所示。

2.3 计算拟合曲线界面

该软件提供了两种拟合方法，一种是直线连接每个温度点之间的寄存器值，另一种是将每个温度点之间的值连接成曲线，如图6所示。主校准完成后，默认为曲线补偿方法。

根据图2补偿流程图所示，在软件应用中设置多个温度补偿点。在所有设设定的温度点进行补偿后，系统将根据不同的校准温度自动FSO和OFFSET拟合值来自-55 ℃～ 150 ℃所有补偿参数在范围内，并将拟合参数写入芯片Flash中。到目前为止，芯片补偿电路可以在规定的温度范围内自动补偿传感器。芯片将使用芯片中的温度传感器来检测当前的环境温度。根据寄存器中温度值的变化，芯片将搜索存储在内部Flash将相应温度点的补偿系数加载到相应的寄存器中，并将其转换为模拟量，以纠正传感器输出信号中的温度误差。

3 结束语

用C#硅压阻式传感器软件补偿系统改进了原有的传感器补偿方法，提高了效率，支持Windows操作系统运行，人机界面友好。硬件和软件调试后，现场测试稳定可靠。通过对测量数据的误差分析，证明该系统的功能和性能指标符合设计要求。

实现传感器温度误差补偿是一种非常简单有效的方法。该方法能有效降低测量系统的电路复杂性，节约成本，无需额外操作即可获得可靠的数据，适用于批量传感器的补偿，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 研究了硅压阻传感器的智能温度补偿[J]传感技术学报，2012(4)

[2] 赵妍．基于MAX1452压力传感器温度补偿[J]2006(4)电气应用

[3] 王俊杰。压力传感器高精度温度补偿软件[J]2014(11)现代电子技术

[4] 张宏涛对压力传感器零点热漂移的补偿分析[J]2008(9)科技信息.