基于MSC1211系列微處理器實現(xiàn)小型化智能壓力傳感器的設計

在信息高速發(fā)展的今天，傳感器的智能化和集成化成為其發(fā)展的兩個重要方向，而傳感器智能化和集成化的程度主要取決于與之相結(jié)合的微處理器的性能。具有數(shù)據(jù)處理能力，能夠進行自動檢測、自動校準、自動誤差補償、自動抽樣、以及標度變換功能的智能壓力傳感器已成為國內(nèi)外開發(fā)和研究的熱點。

ＭＳＣ１２１１是美國德州儀器公司（ＴＩ）新推出的一款非常靈活的高性能低功耗單片機，該器件內(nèi)含２４位Σ－Δ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和１６位Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器。將ＭＳＣ１２１１單片機與硅壓阻式傳感器相結(jié)合便可以構(gòu)成高集成度、高精確度、高可靠性的小型化智能壓力傳感器。

１、ＭＳＣ１２１１的功能特點

ＭＳＣ１２１１系列微處理器是高集成混合信號元器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示。

１．１ＭＳＣ１２１１中的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器設置

ＭＳＣ１２１１的片上Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器是高集成度、八通道差分和單通道２４位Σ－Δ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部包括儀表放大器、可編程增益放大器、多路轉(zhuǎn)換開關、數(shù)字濾波？１？、數(shù)據(jù)處理及信號校準電路。該芯片自帶高精度標準電壓，精度為０．２％？漂移為５×１０－６／℃？因此可以節(jié)省空間及降低器件成本，也可輸出該標準電壓或外接標準電壓，從而對外部傳感器輸出的０～１００ｍＶ微信號進行采集。在利用ＭＳＣ１２１１的片上Ａ／Ｄ進行采樣時，需要設置的寄存器為多路開關寄存器（ＡＤＭＵＸ）、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制寄存器（ＡＤＣＯＮ０～ＡＤＣＯＮ３）、總和移位寄存器（Ｓｕｍｍａｔｉｏｎ／ＳｈｉｆｔＣｏｎｔｒｏｌ）以及ＡＤＣ偏移量設置寄存器（ＯＣＬ～ＯＣＨ）。ＡＤＣＯＮ０決定了內(nèi)部放大器的增益和ＡＤ轉(zhuǎn)換的參考電壓等。ＡＤＣＯＮ１確定了ＡＤ轉(zhuǎn)換結(jié)果的極性、數(shù)字濾波方法和計算模式控制位。ＡＤＣＯＮ２～３用來設定ＡＤ轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)的速率?？偤鸵莆患拇嫫饔脕碓O定一次輸出需要進行采樣的個數(shù)（如可以設置為進行８次ＡＤ轉(zhuǎn)換后取平均值），然后輸出數(shù)據(jù)。ＡＤＣ偏移量設置寄存器用來存放零點偏移，以便于進行校正。

１．２ＭＳＣ１２１１中的Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器的設置

相對于Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換而言，Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器的設置非常簡單。只需要配置４個Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換寄存器（ＤＡＣ０～ＤＡＣ３）和ＤＡＣ裝載控制寄存器。Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換寄存器控制著相應的電壓輸出方式和參考電壓。裝載控制寄存器用來控制Ｄ／Ａ數(shù)據(jù)的裝載方式。

１．３ＦＬＡＳＨ存儲器壓力信號可由微控制器設置為數(shù)字輸出模式或模擬輸出模式，這使得它可作為一個標準模擬裝置而不需要連接數(shù)字通訊線路；而作為一個智能型數(shù)字輸出傳感器時，它可以進行雙向通訊。該系統(tǒng)通過ＲＳ－２３２標準接口與上位機通信，如：向上位機（主機）發(fā)送測量到的數(shù)據(jù)，接收上位機發(fā)來的控制指令，進行參數(shù)設置及校準操作。與上位機的通訊指令采用不定長的ＡＳＣ代碼指令，用不同的信令頭（ＳＯＴ）代表不同的控制，并有ＣＲＣ糾錯以保證數(shù)據(jù)正確傳輸，信令有統(tǒng)一的結(jié)束碼（ＥＯＴ）。

ＭＳＣ１２１１系列微處理器的ＦＬＡＳＨ存儲器容量從４ｋＢ到３２ｋＢ，其中ＭＳＣ１２１１Ｙ５的存儲器容量高達３２ｋＢ。用戶在使用時可以通過硬件配置寄存器（ＨＣＲ０）的低３位來靈活配置程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間的大?。浚玻?。而且不論ＦＬＡＳＨ存儲器被定義為程序存儲器還是數(shù)據(jù)存儲器，用戶都可以通過ＭＯＶＸ指令來對它進行讀寫。這就意味著用戶可以把全部空間做為程序存儲空間，并可將程序存儲空間當作數(shù)據(jù)存儲空間來使用。

２、在智能壓力傳感器中的應用

利用ＭＳＣ１２１１豐富的片內(nèi)資源，可以設計出功能強大、高精確度、寬動態(tài)范圍的全集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

２．１系統(tǒng)硬件設計

智能壓力傳感器的硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖２所示。該系統(tǒng)由壓力傳感器、微處理器ＭＳＣ１２１１、溫度傳感器、電源模塊和輸出模塊等幾部分構(gòu)成。其中電源模塊為系統(tǒng)提供３．３Ｖ模擬電壓（ＡＶＤＤ）和２．７Ｖ數(shù)字電壓（ＤＶＤＤ）。

圖３為ＭＳＣ１２１１與傳感器模塊及上位機的接口電路，本系統(tǒng)采用恒流源供電的硅壓阻式傳感器，其供電電源由ＭＳＣ１２１１提供，不需要外接電源。ＭＳＣ１２１１的多路復用電路可以提供差分信號輸入的各種組合？考慮到共模信號的大小、差分信號的大小、放大倍數(shù)、輸入信號頻率等因素，本設計對壓力信號采用差分信號輸入方式，選擇ＡＩＮ４作為差分輸入的正向輸入端？ＡＩＮ５作為負向輸入端，溫度傳感器信號采用單端信號輸入方式。

系統(tǒng)的工作過程：從壓力傳感器來的信號進入Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部具有可編程增益放大器，可根據(jù)輸入信號的范圍自動設置增益放大倍數(shù)，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器對模擬信號數(shù)字化并進行數(shù)字濾波后，由ＣＰＵ根據(jù)從溫度芯片讀來的溫度信號，從ＦＡＬＳＨ存儲器中讀取零點和線性度校正系數(shù)后，再進行溫度補償和非線性補償，然后根據(jù)量程范圍進行量程轉(zhuǎn)換并將其送到Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器，從而輸出相應的電壓值。

２．２系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，其軟件模塊主要包括以下幾部分：（１）ＭＳＣ１２１１的初始化，包括單片機初始化、串口初始化、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器的初始化。（２）Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的校準，包括各通道增益、零點漂移校正。（３）現(xiàn)場壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集（４）壓力傳感器的零點校準。溫度漂移補償和非線性補償。（５）量程轉(zhuǎn)換，Ｄ／Ａ數(shù)據(jù)輸出。（６）實時壓力顯示。（７）串口中斷服務程序等。

在進行軟件設計時，要注意在Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換時，每次更改ＰＧＡ放大倍數(shù)時均需重新校準，設定特殊寄存器ＡＤＣＯＮ１的ＳＭ１～０位為００，即進入自動模式數(shù)字濾波。這樣隨著Ａ／Ｄ采樣次數(shù)的增加，數(shù)字濾波依次為快速轉(zhuǎn)換、Ｓｉｎｃ２、Ｓｉｎｃ３數(shù)字濾波，從而最大限度地提高轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換準確度。圖４為主程序和串口中斷通信服務程序流程圖。