數(shù)字式就地指示壓力表的設(shè)計
采用擴散硅壓力傳感器、微功耗A /D、微功耗LCD顯示器、微功耗MCU及數(shù)字校準等技術(shù)，設(shè)計 了新型就地指示壓力表。設(shè)計采用了 A/D基準自動補償及溫度補償技術(shù)，儀表具有顯示清晰直觀、耐振 動、精度高及壽命長等優(yōu)點。
0.引言
隨著硬件和軟件技術(shù)的快速發(fā)展，自動化系統(tǒng)已經(jīng)基 本上趨于計算機化。但很多現(xiàn)場指示儀表的數(shù)字化速度卻 相對較慢，這主要是由于現(xiàn)場供電條件、儀表功耗及成本等 原因的制約。近年來，低壓和低功耗器件的大量出現(xiàn)已經(jīng) 催生出了許多電池供電的現(xiàn)場指示儀表，典型的就是各種 流量累計儀表，如，民用的煤氣表、工業(yè)上的流量累計器。 本文作者設(shè)計的數(shù)字式現(xiàn)場指示壓力表，即適應(yīng)了這種發(fā) 展趨勢，設(shè)計的要求是0. 3 %精度、低成本、數(shù)字顯示;能夠 適應(yīng)各種環(huán)境;一節(jié)2000mA. h/3. 6V的5號鋰電池能夠 連續(xù)工作3 a以上。
1.硬件設(shè)計
圖1為系統(tǒng)原理框圖，根據(jù)要求設(shè)計，系統(tǒng)中，所有元 器件都選擇了低功耗的產(chǎn)品。系統(tǒng)硬件大體分為前置的壓 力傳感器、放大變換、A /D轉(zhuǎn)換和MCU控制部分及MCU外 圍的LCD顯示、電壓監(jiān)控、設(shè)定按鍵及EEPRCM這兩部分 組成。
1. 1采集及控制部分設(shè)計
采集及控制部分是本設(shè)計的特色部分，電路采用了 3. 6V電池單電源直接供電。壓力傳感器采用了恒壓供電 的擴散硅傳感器，內(nèi)阻為6k3，輸出靈敏度為6mV/V。考 慮到成本，放大器采用了 TI的TLV2711，TLV2711具有微 功耗、低漂移和低壓滿幅輸出特性。A/D采用了 TI的 ADS1100，它具有差動輸入通道、雙極性輸出、前置程控放 大器和fC接口，是16位低成本的乙-A型模數(shù)轉(zhuǎn)換器[1]， 能夠保證高精度的數(shù)據(jù)采集任務(wù)?？刂?/span>MCU選擇了新型 51兼容單片機P87LPC764m，它是2倍速的51內(nèi)核，電源 監(jiān)控、復(fù)位、看門狗和時鐘內(nèi)置，同時，具有多種低功耗操作 方式，本設(shè)計中，它工作于內(nèi)置時鐘模式。
為保證系統(tǒng)的整體低功耗，采樣設(shè)計為間歇方式，即約2s采樣一次。如圖2，傳感器和放大部分的電源是由MCU 的P1. 7 口控制的，只有采樣轉(zhuǎn)換期間才為這部分電路供 電，其他大部分時間關(guān)閉電源。由圖2還可以看到:系統(tǒng)沒 有對電源進行穩(wěn)壓，對傳感器供電也沒有穩(wěn)壓，這樣的設(shè)計是利用了 ADS1100本身的特點,即它使用電源做為基準 源，電池電壓變化時，傳感器輸出靈敏度變化與A/D輸出 變化相抵消。
TLV2711被設(shè)計成差動輸入方式，同時，加入了 LM285 的1. 2V基準做輸出偏移，以使輸出信號的范圍滿足A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入要求。ADS1100被設(shè)計為單次轉(zhuǎn)換方式，轉(zhuǎn) 換結(jié)束即進入待機狀態(tài)，權(quán)衡轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度后，它的 輸出刷新時間設(shè)計為32SPS,能夠獲得14位轉(zhuǎn)換精度，單 轉(zhuǎn)換周期約30ms,對電源的能量要求較小。ADS1100的前 置放大器設(shè)定為8倍,整個模擬部分的放大倍數(shù)由 TLV2711根據(jù)傳感器具體情況來調(diào)整。
1. 2 MCU和LCD顯示器及其他外圍部分設(shè)計
P87LPC764設(shè)計成由看門狗中斷喚醒的掉電模式,同 時，掉電檢測和EPROM模擬部分供電關(guān)閉?？紤]到本設(shè) 計的目標(biāo)是獨立的電池供電小系統(tǒng)，同時，MCU又具有比 較強的抗干擾能力，這里沒有使用看門狗的復(fù)位功能，而是 把它設(shè)置成了中斷方式，利用它獨立的振蕩器，約2 s中斷 喚醒一次MCU，MCU做一次采樣和顯示處理工作后進入掉 電狀態(tài)，等待看門狗的下一次喚醒。
顯示器采用了定制的LCD模塊,它使用串行方式操 作，可以顯示4個字高為14mm的8字字符，器件典型功耗 為4^A/3. 3V。選擇使用了微功耗的R3111E芯片作為電 源電壓監(jiān)測，如果電池電壓低于2 6V,則顯示o”提示 用戶更換電池。
系統(tǒng)設(shè)計使用了一片EEPRCM來存儲數(shù)字校準參數(shù)， 采用了號稱零待機功耗的CSE4WC02芯片，它與ADS1100 公用fC接口，操作簡單。為保證檢測的精度，設(shè)計了數(shù)字 校準方案，軟件為傳感器的全量程設(shè)計了 4個均分的校準 段，將5個校準點的校準值存入了 EEPROM中，實際測量 時，以這些參數(shù)做分段線性化計算，從而保證了比較高的測 量精度。表內(nèi)還設(shè)置了 3個微動小按鍵，用來配合校準軟 件完成數(shù)字校準過程。
考慮到成本因素，傳感器采用的是廉價的OIM產(chǎn)品, 它本身的溫度漂移偏大。系統(tǒng)設(shè)計了一片LM75溫度芯 片，與ADS1100及CSE4WC02公用一組f C接口，它直接 與傳感器焊接在一塊小線路板上，置于傳感器頂端，對傳感 器的溫度漂移進行補償。傳感器出廠附帶溫度試驗結(jié)果表 格，在-40?50 "C范圍內(nèi)，每5 "C提供一組傳感器的零點和 滿度輸出。本機軟件把整個量程分4段溫度區(qū)間進行插值 法補償,具體為-40?-15 'C, - 15?10 'C, 10?25 'C, 25?50 C 4段,5個折點參數(shù)出廠前設(shè)置到EEPROM中。
2. 軟件設(shè)計
軟件采用C51編制,由主程序、看門狗中斷程序等組 成。主程序完成系統(tǒng)初始化、采樣、計算、顯示、校準及協(xié)調(diào) 任務(wù);看門狗中斷程序是一個空函數(shù)，功能是完成MCU喚 醒工作。整體軟件分工明確，這里略去煩瑣的軟件框圖和 具體程序，僅介紹主程序中的采集處理函數(shù)和溫度補償與 結(jié)果處理函數(shù)的工作過程。
采集處理函數(shù)本身是一個死循環(huán)體，它完成了間歇采 樣顯示及電壓檢測處理等功能，依賴看門狗中斷喚醒，約 2 s被喚醒一次，它本身執(zhí)行一次。這個函數(shù)充分體現(xiàn)了能 量控制的特點，具體特點有:MCU被喚醒后首先要給傳感 器供電，為保證模擬部分進入穩(wěn)定工作狀態(tài)，需要10ms穩(wěn) 定時間，軟件及時給MCU降頻,降至60 kHz的速度,保證 在延時期間MCU處于極低功耗狀態(tài);開始轉(zhuǎn)換前，把MCU 的工作頻率調(diào)整到1MHz,使MCU在能夠保證處理速度的 前提下又保證較低的功耗；A/D結(jié)束采樣后，馬上關(guān)閉模 擬部分電源;刷新完顯示，并做一次電池電壓檢測和溫度檢 測;然后，做溫度補償與結(jié)果處理。至此，一個處理循環(huán)結(jié) 束,MCU馬上進入微功耗掉電模式，掉電后，等待看門狗溢 出中斷喚醒。
溫度補償與結(jié)果處理函數(shù)是根據(jù)傳感器和溫度采樣結(jié) 果計算實際壓力。溫度補償是本設(shè)計的一個重點內(nèi)容，由 于傳感器4個橋臂電阻在擴散時產(chǎn)生的微小不一致，導(dǎo)致 它的零點與滿度輸出隨溫度產(chǎn)生漂移，如果不補償，這個誤 差在-40?50 C的范圍內(nèi)最大會達到3 %以上。傳感器實 際的溫度漂移基本不影響它的線性度，因此，實際的傳感器 補償計算為兩次插值法。補償函數(shù)中，第一次插值是根據(jù) 出廠在EEPROM中存儲的4段零點與滿度溫度鍮出關(guān)系 表格，計算出當(dāng)前溫度的實際零點與滿度。再把獲得的當(dāng) 前溫度下的傳感器零點/滿度值與當(dāng)前壓力輸出采樣值按 照線形比例關(guān)系放大或縮小，平移到傳感器的已校準后的 特性曲線上。然后，根據(jù)按比例修正后的傳感器輸出做第 二次插值計算，求出最終經(jīng)過了溫度補償和線性補償?shù)膲?力結(jié)果。
3.測試結(jié)果
表1為用2MPa量程，0. 3 %線性傳感器制作的數(shù)字式 壓力表的測試結(jié)果。傳感器校準環(huán)境溫度為17 C,濕度為 54%RH。測試環(huán)境溫度為28 C,濕度為68 %RH,校準主 要設(shè)備為Druck的DP1605壓力校驗儀,精度為0. 025 %。 實驗測試結(jié)果表明:壓力表精度達到了 0. 1。/。以上,達到了 本設(shè)計的預(yù)期要求。
另一個重要指標(biāo)是功耗，測試條件為3. 6V直流電源 供電。由于系統(tǒng)工作于間歇狀態(tài)，測試它的休眠工作電流 比較容易，而測試瞬時工作電流比較麻煩。休眠電流用萬 用表直接測得，數(shù)值為14 pA。瞬時電流采用特定編程，模 擬固定采樣狀態(tài)，禁止MCU掉電方法測得，數(shù)值為 1 085 ^A。使用仿真軟件測試出每個采樣過程的非休眠時 間約為50ms，可以計算出每個2 s采樣周期中，系統(tǒng)平均電 流約為40 pA。由于電池的標(biāo)稱電壓為3. 6V，實際使用時大部分時間會在這個電壓以下工作，故以電池終點放電殘 余10 %電量估算，一節(jié)2 000mAh/3. 6V的5號鋰電池理論 上能夠保證連續(xù)工作5 a，考慮到電池自放電因素，也可以 保證連續(xù)工作3 a以上，達到設(shè)計要求。
4.結(jié)束語
采用本方法設(shè)計的壓力表已經(jīng)形成產(chǎn)品，并成功應(yīng)用 于工業(yè)現(xiàn)場，由于采用全電子式結(jié)構(gòu)，無可動部件，具有精 度高、耐振動及壽命長等特點，能夠在高要求場合全面替代 機械式指針儀表。本文提出的微功耗硬件設(shè)計和相應(yīng)軟件 控制方法對于類似的現(xiàn)場低功耗產(chǎn)品設(shè)計具有借鑒和參考 價值。
