微功耗單片機在數(shù)字壓力表設計中的應用
從設計思路、元件選擇、特殊a /b轉換器的應用等方面介紹了 以超低功耗單片機M SP430系列為核心進行微功耗長壽命數(shù)字壓力表設 計的相關技術。
在儀器儀表行業(yè)，從前單功能的模擬儀器儀表正向著數(shù)字化、多功能、智能化方向發(fā)展 當前，在許多以電池供電的儀器儀表，尤其是需要長期工作的儀表設計中，儀表的功耗與電池 壽命之間的矛盾是設計者首先面臨的問題，選擇低功耗、微功耗元件及處理器，并在設計時應 用低功耗思想成為必然的選擇本文介紹微功耗單片機在數(shù)字式壓力表設計中的應用
1.設計要求及總體設計思路
采用壓力傳感器(橋臂電阻約8 k8)替代彈簧管機械式壓力表、電池供電、液晶數(shù)字顯示、 可持續(xù)工作兩年以上，達到1級精度、最低的成本
設計是圍繞如何實現(xiàn)低功耗展開的根據(jù)設計要求，傳感器橋臂電阻為8 k8，假設用3V 電池供電，電池容量為2 Ah,則儀表可連續(xù)工作200 d左右，無法滿足設計要求最初的設想 是在儀表上加裝手動開關或遙控開關，在工作時打開，不工作時關閉來降低功耗這一想法很 快被否定，由于儀表可能安裝在不易接觸到的高處，遙控接收裝置要長期耗電，而且如果儀表 用于長期監(jiān)測，不論是哪一種開關都不能從根本上達到降低功耗的目的從外部控制功耗的方 案看來不可行，必須從內(nèi)部著手經(jīng)過反復推敲，我們發(fā)現(xiàn)通過單片機軟件來控制壓力傳感器 的供電和采樣以及計算和顯示測量結果是一個最優(yōu)化方案，系統(tǒng)的基本組成如圖1，單片機軟 件工作流程如圖2
由以上兩圖可清楚地看出，由于采用單片機控制傳感器及放大器的供電，且采樣A/D轉 換，計算所需的時間很短，而等待的時間間隔是可調(diào)的，且相對很長通過確定一個合適的比例 (例如1: 50)，就可以達到明顯降低功耗的效果前提是在等待狀態(tài)時要有很低的能量消耗
2.元件選擇
元件選擇同樣是以低功耗、低成本為原則的由于單片機、顯示器及存儲器是長期工作的，因此這三件在等待狀態(tài)時的電流應控制在30 M左右,而單片機、
傳感器和放大器工作時電流<800 那么即使按1 : 40的時間比例來計算,平均電流可控制在20 ▲以內(nèi)，因此整個系統(tǒng)的平均電流可控制在50 ▲左右如果選擇2Ah的鋰電池,
連續(xù)工作的設計壽命超過4 a,而且脈沖放電有助于延長電池壽命,可以滿足設計要求考慮到環(huán)境、介質(zhì)溫度等其它條件的變化對電池壽命的影響，2 a時間應是完全沒有問題的根據(jù)以上分析和市場調(diào)查,微功耗的顯示器存儲器和放大器有較多的選擇,而微功耗單片機能滿足要求的不多,經(jīng)過比較我們選擇了美國德
州公司（Texas Instrument)最新推出的M SP430系列單片機該系列單片機為16位超低功耗單片機，且內(nèi)部集成了A /D轉換器,特別為智能式儀表、電池供電便攜設備而設計它具有獨特的超低功耗設計，內(nèi)設5種低功耗模式以滿足
不同工作狀態(tài)的需要,如圖3,在各種低功耗模式與活動模式之間可快速由指令
進行切換，且在低功耗模式3 (可用于等待狀態(tài))狀態(tài)下,消耗電流極低(只有1. 3 aA),這就給微功耗儀表設計帶來了很大的方便
事實上微功耗壓力表的設計思路與430系列單片機的設計思路彳艮相近，其共同點是在省電狀態(tài)下，把各種不必要的模塊全部關閉，當需要時再打開這種切換是軟件可控制的，且速度
非常快(轉換時間僅為6 aS).
3.特殊的A/轉換
為了提高集成度和降低成本,壓力表的設計利用了 430單片機內(nèi)部集成的特殊A/b轉換 器(SbpeA/b),該A/b轉換器利用電容充放 電原理,可用于電阻、電壓、電流的轉換壓力傳 感器經(jīng)放大后為電壓信號,利用Slope A/b測 量,其電路原理如圖4
首先將P1 1置高電平,開始對Ci進行充 電，經(jīng)過ti時間后充電完成，比較器輸入端 CMPI處的電平為Kcc然后將P1 1置低電平，
Ci開始通過Rd進行放電，同時單片機內(nèi)的計 時器開始計時,當CM P I處電平降低至一個軟 件內(nèi)部設定的參考電平^CArrfC通常為0.25 ?
U時，比較器觸發(fā)內(nèi)部計時器,計時結束,計 得frrf第二步,將P1. 1置高阻狀態(tài),P2. 1置高 電平給傳感器及放大器供電壓力信號 與經(jīng)放大后的電壓KmeaS成正比,V削如對C1進行1 充電,經(jīng)過t2時間后,充電結束,將P1. 1置低 電平,C1經(jīng)Rd放電，同上計時器計得整k 個采樣測量時的充放電曲線如圖5.
根據(jù)放電時間與放電電壓的關系及被測壓 力與輸出電壓之間的關系,可推出被測壓力 Pm eas^與 tref、 之間的關系為
Pmeas = a ? et' 1 + b 式中 h =咖
tref
可以看出由于Pm-與n關系并不是一個線性關系,而且系數(shù)a、b與電路及傳感器參數(shù)有 關,并不是每臺儀表都一致,這就給儀表的調(diào)整與校準帶來困難,而且計算指數(shù)函數(shù)對單片機 匯編語言來說即困難又耗時為了解決這一問題,同時考慮到校準方便,將Pm與rt的關系曲 線均勻地分為十段,用11點連成的折線近似代替曲線,如圖6
將每一個點的壓力與rt對應的值存入儀表的存儲器中,采用線性插值的辦法就可在整個 量程內(nèi)根據(jù)rt值計算出相應的壓力值,經(jīng)計算用11點折線近似代替曲線誤差曲線形狀如圖 7,由于指數(shù)函數(shù)的特性,相對誤差在rt接近1的一段中間出現(xiàn)最大值,但其理論誤差小于 0. 12%,可以滿足設計要求應用了這種方法使儀表對電路元件和傳感器一致性要求降低,經(jīng) 過簡單的調(diào)整就可達到要求,提高了硬件兼容性
在當今數(shù)字化、智能化儀表中,這種分段線性插值的方法可以得到廣泛的應用用它可以 對儀表的非線性進行修正,或對重復性好的儀表進行誤差補償,這樣就可以達到提高儀表的測 量精度,擴展儀表量程等目的
4.結束語
在微功耗、數(shù)字式壓力表設計中，從設計思路到元件選用都把降低功耗、降低成本放在首 位該儀表以剛剛推出不久的超低功耗MSP430系列單片機為核心，在電路設計上和軟件編 程方面融入低功耗設計思想，利用了單片機內(nèi)部的特殊A/D轉換器降低了成本，并采用將校 準曲線分段存儲、線性插值的方法，簡化了儀表的設計，提高了硬件兼容性，在降低成本的前提 下獲得了較高的精度和超長的使用壽命。
