一种电桥式压力传感器输出信号采集装置及方法与流程

本发明涉及信号采集技术领域，尤其涉及一种电桥式压力传感器输出信号采集装置及方法。

背景技术：

电桥式压力传感器由于其电压信号的稳定性被广泛应用于压力传感器的设计当中，但由于该种方式输出的电压信号为几毫伏甚至零点几毫伏的微弱信号，想要精确采集该种信号有很大的难度。现有的采集系统一般由前端放大电路、以及模数转换电路组成，往往只能采集输出信号的变化趋势，但采集精度和线性度都相对较差，且信号容易受周围环境噪声的干扰。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种电桥式压力传感器输出信号采集装置及方法，用以解决现有技术信号采集装置采集精度低、线性度差、环境抗干扰能力差的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种电桥式压力传感器输出信号采集装置，包括依次连接的低通滤波模块、差分放大模块、模数转换模块及微处理器；还包括分别与所述的低通滤波模块、差分放大模块、模数转换模块及微处理器连接的电源模块；

所述低通滤波模块用于对所述电桥式压力传感器输出的差分信号进行低通滤波处理，滤波后的差分信号输入到差分放大模块的差分输入端；

所述差分放大模块对输入的差分信号进行放大处理后，将放大后的信号输入到模数转换模块；

所述模数转换模块对输入的信号进行模数转换，将转换后的数字信号发送给微处理器；

所述微处理器对所接收到的数字信号进行均值滤波处理后，除以差分放大模块的放大倍数得到电桥式压力传感器输出信号的原始数值；

所述电源模块为上述各模块提供所需的电源电压。

进一步，所述低通滤波模块成对设置，个数为2N；相对应地，所述差分放大模块个数为N；其中N为自然数，取值范围为1～4。

进一步，所述低通滤波模块包括第一OPA301、第二OPA301、4个电阻R1～R4及8个电容C1～C8；

所述第一OPA301的1脚与4脚直接相接，2脚接地，3脚顺次连接电阻R2、R1作为输入端，3脚还通过电容C7接地，电容C1的一端与所述第一OPA301的1脚连接，电容C1的另一端连接在电阻R1、R2之间，4脚通过顺次连接的R3、R4与所述第二OPA301的3脚连接；

所述第二OPA301的1脚与4脚直接相接作为输出端，2脚接地，3脚还通过电容C8接地，电容C2的一端与所述第二OPA301的1脚连接，电容C2的另一端接在电阻R3、R4之间；

所述第一OPA301的5脚接+5V电源，在第一OPA301的+5V电源与地之间并联电容C3、C4；所述第二OPA301的5脚接+5V电源，在第二OPA301的+5V电源与地之间并联电容C5、C6。

进一步，所述差分放大模块采用二级放大，每级放大倍数为10倍。

进一步，所述差分放大模块包括第一INA333、第二INA333、4个电阻R5～R8及5个电容C9～C13；

第一INA333的1脚和8脚之间连接电阻R7，2脚连接电阻R5后作为第一级放大的负差分输入端，3脚连接电阻R6后作为第一级放大的正差分输入端，2脚和3脚之间连接电容C9，4脚通过电容C12接地，5脚直接接地，6脚作为第一级放大的输出端与第二级放大的输入端连接，7脚通过电容C10接地；

第二INA333的1脚和8脚间连接电阻R8，2脚接地，3脚作为第二级放大的输入端，4脚通过电容C13接地，5脚直接接地，6脚作为差分放大模块的第二级放大的输出端，7脚通过电容C11接地；

第一INA333的7脚、第二INA333的7脚均接+2.5V电源，所述第一INA333的4脚、第二INA333的4脚均接-2.5V电源。

进一步，所述模数转换模块包括芯片ADS1254E、12个电阻R9～R20及22个电容C14～C35；

所述芯片ADS1254E的1～6、19～20脚分别作为四对正负输入引脚IN1+、IN1-、IN2+、IN2-、IN3+、IN3-、IN4+、IN4-，7脚通过电容C34接地，同时7脚接+5V电压；9脚通过电容C35接地，同时9脚接+3.3V电压，12脚接地；17脚接地；多路输入信号经模数转换后在芯片ADS1254E的14脚控制下，由芯片ADS1254E的13脚输出至微处理器；

电阻R9的一端接第一路差分放大模块的输出端，另一端接IN1+，IN1+通过并联电容C14、C15接地；电阻R10一端接地，另一端接IN1-，IN1-通过并联电容C16、C17接地；在IN1+、IN1-间并联有电容C18、电阻R11；

电阻R12的一端接第二路差分放大模块的输出端，另一端接IN2+，IN2+通过并联电容C19、C20接地；电阻R13一端接地，另一端接IN2-，IN2-通过并联电容C21、C22接地；在IN2+、IN2-间并联有电容C23、电阻R14；

电阻R15的一端接第三路差分放大模块的输出端，另一端接IN3+，IN3+通过并联电容C24、C25接地；电阻R16一端接地，另一端接IN2-，IN3-通过并联电容C26、C27接地；在IN3+、IN3-间并联有电容C28、电阻R17；

电阻R18的一端接第四路差分放大模块的输出端，另一端接IN4+，IN4+通过并联电容C29、C30接地；电阻R19一端接地，另一端接IN4-，IN4-通过并联电容C31、C32接地；在IN2+、IN2-间并联有电容C33、电阻R20。

应用上述采集装置的采集方法，包括以下步骤：

(1)采用所述的低通滤波模块对电桥式压力传感器输出的差分信号进行低通滤波处理，滤除40Hz以上的干扰信号，并将滤波后的差分信号传输给差分放大模块；

(2)所述的差分放大模块对滤波后的差分信号进行二级线性放大，每级放大倍数为10，所述的差分放大模块将放大100倍后的信号传送给模数转换模块；

(3)所述模数转换模块对放大100倍后的信号进行模数转换，并通过SPI总线将转换后的数字信号发送给微处理器；

(4)所述的微处理器对得到的数字信号进行均值滤波处理后，除以放大的倍数100，得到电桥式压力传感器输出信号的原始数值。

本发明有益效果如下：

电桥式压力传感器输出信号采集装置及其方法，用于电桥式压力传感器输出信号的准确采集，与现有技术相比，

1、采集精度高，可达0.1％；

2、线性度高，可达0.1％；

3、可有效抑制40Hz以上的干扰。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例整体结构框图；

图2为本发明实施例低通滤波模块示意图；

图3为本发明实施例差分放大模块示意图；

图4为本发明实施例模数转换模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本实施例所示采集装置可对四路电桥式压力传感器输出的差分信号进行准确采集，如图1所示，包括电源模块、低通滤波模块1+、低通滤波模块1-、低通滤波模块2+、低通滤波模块2-、低通滤波模块3+、低通滤波模块3-、低通滤波模块4+、低通滤波模块4-、差分放大模块1、差分放大模块2、差分放大模块3、差分放大模块4、模数转换模块以及微处理器。

四路电桥式压力传感器输出的四对差分信号分别输入至四对低通滤波模块的输入端；低通滤波模块1+、低通滤波模块1-的信号输出端分别与差分放大模块1的正、负差分输入端连接，低通滤波模块2+和低通滤波模块2-的信号输出端与差分放大模块2的正、负差分输入端连接，低通滤波模块3+和低通滤波模块3-的信号输出端与差分放大模块3的正、负差分输入端连接；低通滤波模块4+和低通滤波模块4-的信号输出端与差分放大模块4的正、负差分输入端连接。

差分放大模块1、差分放大模块2、差分放大模块3、差分放大模块4的信号输出端与模数转换模块的信号输入端连接；所述的模数转换模块输出端通过SPI(串行外设接口Serial Peripheral Interface)总线与微处理器连接。

电源模块与低通滤波模块1+、低通滤波模块1-、低通滤波模块2+、低通滤波模块2-、低通滤波模块3+、低通滤波模块3-、低通滤波模块4+、低通滤波模块4-、差分放大模块1、差分放大模块2、差分放大模块3、差分放大模块4、模数转换模块以及微处理器的供电端口连接。

利用上述采集装置能够实现对电桥式压力传感器输出信号的准确采集，采集方法包括以下步骤：

(1)低通滤波模块1+和低通滤波模块1-将第一路传感器输出的差分信号分别进行低通滤波处理，然后传送给差分放大模块1的正、负相差分输入端；低通滤波模块2+和低通滤波模块2-将第二路传感器输出的差分信号分别进行低通滤波处理，然后传送给差分放大模块2的正、负相差分输入端；低通滤波模块3+和低通滤波模块3-将第三路传感器输出的差分信号分别进行低通滤波处理，然后传送给差分放大模块3的正、负相差分输入端；低通滤波模块4+和低通滤波模块4-将第四路传感器输出的差分信号分别进行低通滤波处理，然后传送给差分放大模块4的正、负相差分输入端；

(2)差分放大模块1、差分放大模块2、差分放大模块3和差分放大模块4分别将差分输入端输入的信号线性放大100倍，并传送到模数转换模块的输入端；

(2)模数转换模块将所采集的信号转换为数字信号并通过SPI总线发送给微处理器；

(4)微处理器进行均值滤波处理后，除以放大的倍数100，得到原始信号数值。

本实施例8个低通滤波模块结构相同，具体结构如图2所示，包括第一OPA301、第二OPA301、4个电阻R1～R4及8个电容C1～C8；所述第一OPA301的1脚与4脚直接相接，2脚接地，3脚顺次连接电阻R2、R1作为输入端，3脚还通过电容C7接地，电容C1的一端与所述第一OPA301的1脚连接，电容C1的另一端连接在电阻R1、R2之间，4脚通过顺次连接的R3、R4与所述第二OPA301的3脚连接；所述第二OPA301的1脚与4脚直接相接作为输出端，2脚接地，3脚还通过电容C8接地，电容C2的一端与所述第二OPA301的1脚连接，电容C2的另一端接在电阻R3、R4之间；所述第一OPA301的5脚接+5V电源，在第一OPA301的+5V电源与地之间并联电容C3、C4；所述第二OPA301的5脚接+5V电源，在第二OPA301的+5V电源与地之间并联电容C5、C6。

电阻R1～R4的阻值依次为3.09kΩ、4.22kΩ、1.07kΩ、1.96kΩ；电容C1～C8的电容值依次为1.2μf、7.5μf、10μf、0.1μf、10μf、0.1μf、1μf、1μf。

该低通滤波模块的设计有效滤除40Hz以上的干扰，消除伪迹效应。

本实施例4个差分放大模块结构相同，具体结构如图3所示，采用两个仪表放大器INA333组成两级放大结构，每级放大10倍，共放大100倍。

差分放大模块包括第一INA333、第二INA333、4个电阻R5～R8及5个电容C9～C13；第一INA333的1脚和8脚间连接电阻R7，2脚连接电阻R5作为第一级放大的负差分输入端，3脚连接电阻R6作为第一级放大的正差分输入端，2脚和3脚间连接电容C9，4脚通过电容C12接地，5脚直接接地，6脚作为第一级放大的输出端与第二级放大的输入端连接，7脚通过电容C10接地；第二INA333的1脚和8脚间连接电阻R8，2脚接地，3脚作为第二级放大的输入端，4脚通过电容C13接地，5脚直接接地，6脚作为差分放大模块的第二级放大的输出端，7脚通过电容C11接地；第一INA333的7脚、第二INA333的7脚均接+2.5V电源，所述第一INA333的4脚、第二INA333的4脚均接-2.5V电源。

电阻R5～R8的阻值依次为5.23kΩ、5.23kΩ、100Ω、100Ω；电容C9～C13的电容值均为0.1μf。

该差分放大模块精度高、具有较高的输入阻抗，能将传感器输出信号有效地提取并精确的放大。

模数转换模块结构，如图4所示，包括芯片ADS1254E、12个电阻值为1kΩ的电阻R9～R20、22个电容C14～C35。

芯片ADS1254E的1～6、19～20作为四对正负输入引脚IN1+、IN1-、IN2+、IN2-、IN3+、IN3-、IN4+、IN4-，四对正负输入引脚外围电路均相同；7脚通过电容C34接地，同时7脚接+5V电压；9脚通过电容C35接地，同时9脚接+3.3V电压，12脚接地；17脚接地；多路输入信号经模数转换后在芯片ADS1254E14脚的控制下，由芯片ADS1254E的13脚输出至微处理器。

电阻R9的一端接第一路差分放大模块的输出端，另一端接IN1+，IN1+与地间并联有电容C14、C15；电阻R10一端接地，另一端接IN1-，IN1-与地间并联有电容C16、C17；在IN1+、IN1-间并联有电容C18、电阻R11。

电阻R12的一端接第二路差分放大模块的输出端，另一端接IN2+，IN2+与地间并联有电容C19、C20；电阻R13一端接地，另一端接IN2-，IN2-与地间并联有电容C21、C22；在IN2+、IN2-间并联有电容C23、电阻R14。

电阻R15的一端接第三路差分放大模块的输出端，另一端接IN3+，IN3+与地间并联有电容C24、C25；电阻R16一端接地，另一端接IN2-，IN3-与地间并联有电容C26、C27；在IN3+、IN3-间并联有电容C28、电阻R17。

电阻R18的一端接第四路差分放大模块的输出端，另一端接IN4+，IN4+与地间并联有电容C29、C30；电阻R19一端接地，另一端接IN4-，IN4-与地间并联有电容C31、C32；在IN2+、IN2-间并联有电容C33、电阻R20。

本实施例设计的模数转换模块高精度、快速准确转换；其自带固定频率陷波功能；芯片外围电路的设计能实现滤波功能，有效抑制外界噪声的干扰，并对共模信号有有效的抑制作用。

本发明具有如下优点：

对电桥式压力传感器输出信号进行准确采集，有效滤除40Hz以上的干扰，采集精度高达0.1％、线性度高达0.1％。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。