數(shù)字式就地指示壓力表的設(shè)計(jì)
采用擴(kuò)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(zhǔn)等技術(shù)，設(shè)計(jì) 了新型就地指示壓力表。設(shè)計(jì)采用了 A/D基準(zhǔn)自動(dòng)補(bǔ)償及溫度補(bǔ)償技術(shù)，儀表具有顯示清晰直觀、耐振 動(dòng)、精度高及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
0.引言
隨著硬件和軟件技術(shù)的快速發(fā)展，自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)基 本上趨于計(jì)算機(jī)化。但很多現(xiàn)場(chǎng)指示儀表的數(shù)字化速度卻 相對(duì)較慢，這主要是由于現(xiàn)場(chǎng)供電條件、儀表功耗及成本等 原因的制約。近年來(lái)，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(chǎng)指示儀表，典型的就是各種 流量累計(jì)儀表，如，民用的煤氣表、工業(yè)上的流量累計(jì)器。 本文作者設(shè)計(jì)的數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)指示壓力表，即適應(yīng)了這種發(fā) 展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)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(hào)鋰電池能夠 連續(xù)工作3 a以上。
1.硬件設(shè)計(jì)
圖1為系統(tǒng)原理框圖，根據(jù)要求設(shè)計(jì)，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(jì)
采集及控制部分是本設(shè)計(jì)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(kuò)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(mǎn)幅輸出特性。A/D采用了 TI的 ADS1100，它具有差動(dòng)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(jī)P87LPC764m，它是2倍速的51內(nèi)核，電源 監(jiān)控、復(fù)位、看門(mén)狗和時(shí)鐘內(nèi)置，同時(shí)，具有多種低功耗操作 方式，本設(shè)計(jì)中，它工作于內(nèi)置時(shí)鐘模式。
為保證系統(tǒng)的整體低功耗，采樣設(shè)計(jì)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(shí)間關(guān)閉電源。由圖2還可以看到:系統(tǒng)沒(méi) 有對(duì)電源進(jìn)行穩(wěn)壓，對(duì)傳感器供電也沒(méi)有穩(wěn)壓，這樣的設(shè)計(jì)是利用了 ADS1100本身的特點(diǎn),即它使用電源做為基準(zhǔn) 源，電池電壓變化時(shí)，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(jì)成差動(dòng)輸入方式，同時(shí)，加入了 LM285 的1. 2V基準(zhǔn)做輸出偏移，以使輸出信號(hào)的范圍滿(mǎn)足A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入要求。ADS1100被設(shè)計(jì)為單次轉(zhuǎn)換方式，轉(zhuǎn) 換結(jié)束即進(jìn)入待機(jī)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(shí)間設(shè)計(jì)為32SPS,能夠獲得14位轉(zhuǎn)換精度，單 轉(zhuǎn)換周期約30ms,對(duì)電源的能量要求較小。ADS1100的前 置放大器設(shè)定為8倍,整個(gè)模擬部分的放大倍數(shù)由 TLV2711根據(jù)傳感器具體情況來(lái)調(diào)整。
1. 2 MCU和LCD顯示器及其他外圍部分設(shè)計(jì)
P87LPC764設(shè)計(jì)成由看門(mén)狗中斷喚醒的掉電模式,同 時(shí)，掉電檢測(cè)和EPROM模擬部分供電關(guān)閉?？紤]到本設(shè) 計(jì)的目標(biāo)是獨(dú)立的電池供電小系統(tǒng)，同時(shí)，MCU又具有比 較強(qiáng)的抗干擾能力，這里沒(méi)有使用看門(mén)狗的復(fù)位功能，而是 把它設(shè)置成了中斷方式，利用它獨(dú)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(jìn)入掉 電狀態(tài)，等待看門(mén)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(gè)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(cè)，如果電池電壓低于2 6V,則顯示o”提示 用戶(hù)更換電池。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用了一片EEPRCM來(lái)存儲(chǔ)數(shù)字校準(zhǔn)參數(shù)， 采用了號(hào)稱(chēng)零待機(jī)功耗的CSE4WC02芯片，它與ADS1100 公用fC接口，操作簡(jiǎn)單。為保證檢測(cè)的精度，設(shè)計(jì)了數(shù)字 校準(zhǔn)方案，軟件為傳感器的全量程設(shè)計(jì)了 4個(gè)均分的校準(zhǔn) 段，將5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的校準(zhǔn)值存入了 EEPROM中，實(shí)際測(cè)量 時(shí)，以這些參數(shù)做分段線(xiàn)性化計(jì)算，從而保證了比較高的測(cè) 量精度。表內(nèi)還設(shè)置了 3個(gè)微動(dòng)小按鍵，用來(lái)配合校準(zhǔn)軟 件完成數(shù)字校準(zhǔn)過(guò)程。
考慮到成本因素，傳感器采用的是廉價(jià)的OIM產(chǎn)品, 它本身的溫度漂移偏大。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàn)路板上，置于傳感器頂端，對(duì)傳感 器的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。傳感器出廠附帶溫度試驗(yàn)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(diǎn)和 滿(mǎn)度輸出。本機(jī)軟件把整個(gè)量程分4段溫度區(qū)間進(jìn)行插值 法補(bǔ)償,具體為-40?-15 'C, - 15?10 'C, 10?25 'C, 25?50 C 4段,5個(gè)折點(diǎn)參數(shù)出廠前設(shè)置到EEPROM中。
2. 軟件設(shè)計(jì)
軟件采用C51編制,由主程序、看門(mén)狗中斷程序等組 成。主程序完成系統(tǒng)初始化、采樣、計(jì)算、顯示、校準(zhǔn)及協(xié)調(diào) 任務(wù);看門(mén)狗中斷程序是一個(gè)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(bǔ)償與 結(jié)果處理函數(shù)的工作過(guò)程。
采集處理函數(shù)本身是一個(gè)死循環(huán)體，它完成了間歇采 樣顯示及電壓檢測(cè)處理等功能，依賴(lài)看門(mén)狗中斷喚醒，約 2 s被喚醒一次，它本身執(zhí)行一次。這個(gè)函數(shù)充分體現(xiàn)了能 量控制的特點(diǎn)，具體特點(diǎn)有:MCU被喚醒后首先要給傳感 器供電，為保證模擬部分進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，需要10ms穩(wěn) 定時(shí)間，軟件及時(shí)給MCU降頻,降至60 kHz的速度,保證 在延時(shí)期間MCU處于極低功耗狀態(tài);開(kāi)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(cè)和溫度檢 測(cè);然后，做溫度補(bǔ)償與結(jié)果處理。至此，一個(gè)處理循環(huán)結(jié) 束,MCU馬上進(jìn)入微功耗掉電模式，掉電后，等待看門(mén)狗溢 出中斷喚醒。
溫度補(bǔ)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(jì)算實(shí)際壓力。溫度補(bǔ)償是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，由 于傳感器4個(gè)橋臂電阻在擴(kuò)散時(shí)產(chǎn)生的微小不一致，導(dǎo)致 它的零點(diǎn)與滿(mǎn)度輸出隨溫度產(chǎn)生漂移，如果不補(bǔ)償，這個(gè)誤 差在-40?50 C的范圍內(nèi)最大會(huì)達(dá)到3 %以上。傳感器實(shí) 際的溫度漂移基本不影響它的線(xiàn)性度，因此，實(shí)際的傳感器 補(bǔ)償計(jì)算為兩次插值法。補(bǔ)償函數(shù)中，第一次插值是根據(jù) 出廠在EEPROM中存儲(chǔ)的4段零點(diǎn)與滿(mǎn)度溫度鍮出關(guān)系 表格，計(jì)算出當(dāng)前溫度的實(shí)際零點(diǎn)與滿(mǎn)度。再把獲得的當(dāng) 前溫度下的傳感器零點(diǎn)/滿(mǎn)度值與當(dāng)前壓力輸出采樣值按 照線(xiàn)形比例關(guān)系放大或縮小，平移到傳感器的已校準(zhǔn)后的 特性曲線(xiàn)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(jì)算，求出最終經(jīng)過(guò)了溫度補(bǔ)償和線(xiàn)性補(bǔ)償?shù)膲?力結(jié)果。
3.測(cè)試結(jié)果
表1為用2MPa量程，0. 3 %線(xiàn)性傳感器制作的數(shù)字式 壓力表的測(cè)試結(jié)果。傳感器校準(zhǔn)環(huán)境溫度為17 C,濕度為 54%RH。測(cè)試環(huán)境溫度為28 C,濕度為68 %RH,校準(zhǔn)主 要設(shè)備為Druck的DP1605壓力校驗(yàn)儀,精度為0. 025 %。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:壓力表精度達(dá)到了 0. 1。/。以上,達(dá)到了 本設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。
另一個(gè)重要指標(biāo)是功耗，測(cè)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(cè)試它的休眠工作電流 比較容易，而測(cè)試瞬時(shí)工作電流比較麻煩。休眠電流用萬(wàn) 用表直接測(cè)得，數(shù)值為14 pA。瞬時(shí)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(cè)得，數(shù)值為 1 085 ^A。使用仿真軟件測(cè)試出每個(gè)采樣過(guò)程的非休眠時(shí) 間約為50ms，可以計(jì)算出每個(gè)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(chēng)電壓為3. 6V，實(shí)際使用時(shí)大部分時(shí)間會(huì)在這個(gè)電壓以下工作，故以電池終點(diǎn)放電殘 余10 %電量估算，一節(jié)2 000mAh/3. 6V的5號(hào)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(dá)到設(shè)計(jì)要求。
4.結(jié)束語(yǔ)
采用本方法設(shè)計(jì)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(chǎng)，由于采用全電子式結(jié)構(gòu)，無(wú)可動(dòng)部件，具有精 度高、耐振動(dòng)及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，能夠在高要求場(chǎng)合全面替代 機(jī)械式指針儀表。本文提出的微功耗硬件設(shè)計(jì)和相應(yīng)軟件 控制方法對(duì)于類(lèi)似的現(xiàn)場(chǎng)低功耗產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有借鑒和參考 價(jià)值。
