采用MPS430f149作為總控制器，設(shè)計(jì)了高精度微功耗壓力表。電壓傳感器采用恒流源供電，輸出采用a7714進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用adr291產(chǎn)生的恒壓作為基準(zhǔn)電壓。采用模塊化供電和分時(shí)采集數(shù)據(jù)的策略，降低系統(tǒng)功耗，并采用自行設(shè)計(jì)的MSSFET電源實(shí)現(xiàn)工作模塊的開斷電源。采用基于變化流速的均值濾波對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，采用多點(diǎn)標(biāo)定對壓力表進(jìn)行標(biāo)定。采用簡化的文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)的存儲和回放。壓力表精度達(dá)到0。25%以上，在使用4節(jié)5節(jié)干電池供電的情況下，正常連續(xù)工作時(shí)間在3 00h以上。

      隨著壓力測量的應(yīng)用越來越廣泛，對壓力測量儀器的要求也越來越高。目前在工業(yè)現(xiàn)場和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用最廣泛的是彈性壓力表和電子壓力表:彈性壓力表由于發(fā)展多年，應(yīng)是應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的壓力表，但發(fā)展空間較小;隨著測量自動(dòng)化范圍要求的不斷提高，電子壓力表已成為壓力測量的主流。而如果說信息化的飛速發(fā)展在今天對電子壓力計(jì)提出了高精度的要求，再加上測量儀器的小型化、便攜化發(fā)展，干電池已經(jīng)成為主要的供電方式，而干電池容量是有限的。這就對測量儀器的微功耗提出了更高的要求。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

      本系統(tǒng)的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)高精度微功耗的數(shù)字壓力表，因此高精度和微功耗是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，必須從整體設(shè)計(jì)上加以考慮。系統(tǒng)總功耗一般包括組件級功耗和系統(tǒng)級功耗。有必要從這兩方面入手，以達(dá)到系統(tǒng)微功耗的目的。

      系統(tǒng)總體框架主要由電源管道管理模塊、參考電壓模塊、恒流源、壓力數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、串口通信模塊、溫度采樣模塊和關(guān)鍵電路組成。

      MSP430系列單片機(jī)是一款超低功耗混合信號處理器，該系列單片機(jī)可用于電源單元，且等待時(shí)間長。所述有源時(shí)鐘源使器件實(shí)現(xiàn)最低功耗;數(shù)字控制激振器(DAC O)允許設(shè)備快速從低功耗模式喚醒，并在不到6 lxs的時(shí)間內(nèi)激活到實(shí)時(shí)工作模式�？紤]到本系統(tǒng)的微功耗要求，最終選用MSP430F149作為總控制器。壓力傳感器采用M E A S公司的87N。該傳感器線性度好、溫度誤差小、功耗低，滿足了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中高精度、小功耗的要求。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1電源管理模塊

      系統(tǒng)采用模塊化供電和時(shí)間規(guī)劃機(jī)制，模塊不工作時(shí)可斷開電源，降低功耗。采用MA X 883和MA X 884作為系統(tǒng)的5v和3.3V電源，這兩個(gè)鐵芯為低差線性穩(wěn)壓鐵芯，在最低功耗工作模式下，靜態(tài)電流僅為1a。完全可以滿足系統(tǒng)的微功耗要求。

      系統(tǒng)采用1塊MA X 883和2塊MA X 884為系統(tǒng)各模塊供電。在實(shí)驗(yàn)中，一塊MAX 884平板電腦產(chǎn)生了cpu 3。3v為常開狀態(tài)，其余兩個(gè)電源在壓力表關(guān)斷時(shí)可由單片機(jī)控制。電源開關(guān)也設(shè)計(jì)了N通道和P通道，因?yàn)闇囟炔杉�模塊和串口通信模塊不常用，所以為這兩個(gè)模塊配置了電源開關(guān)。通過單片機(jī)的I / 0口控制電源開關(guān)的通斷，降低功耗。

      另外，由于液晶背光耗電量大，采用電池直接供電的策略，通過MFSF的通斷控制不同電阻值的限流電阻

2. 2壓力數(shù)據(jù)采集模塊

MSP4 30f149單片機(jī)包含一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換模塊和一個(gè)可選的1。2 5v和2。5v是指電壓模塊，所以很多壓力表直接使用內(nèi)部的A/D模塊和參考電壓。雖然這簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但直接連接限制了壓力計(jì)的精度。系統(tǒng)的壓力數(shù)據(jù)采集模塊包括壓力數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，壓力傳感器由恒流源供電，輸出由ad7714放大后變?yōu)锳/D輸出。d7714的參考電壓由外部參考電壓電路產(chǎn)生。

2. 2. 1考慮電壓電路

      本系統(tǒng)使用的基準(zhǔn)電壓由AD-R291產(chǎn)生，AD-R291是一種低噪聲、低功耗的基準(zhǔn)電壓芯片。參考電壓電路如圖2所示，它產(chǎn)生2。5V參考電壓的精度在0.12%以上，滿足了本系統(tǒng)的高精度要求。2. Put out通過5V電阻分壓產(chǎn)生1。采用25V作為A/D芯片的參考電壓。為了提高A/D芯片參考電壓的精度，圖2中的R33和R34都采用了1‰的高精度電阻。

圖2為電壓電路

2. 2. 2恒流源電路

      本系統(tǒng)使用的壓力傳感器內(nèi)部的測量電路為全橋差分電路，橋的電源可以是恒壓源也可以是恒流源。為了減少溫度的陰影，提高測量精度，系統(tǒng)采用恒流源為壓力傳感器供電。

      恒流源電路的核心是opa335，它是一個(gè)自動(dòng)調(diào)零，單功率運(yùn)算放大器。該系統(tǒng)的最大失調(diào)電壓為5v，靜態(tài)電流為285 A，具有高精度和低功耗的要求。恒流源電路如圖3所示，利用運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”特性，其中電阻R29、R31和R32均為1%。壓力傳感器的高精度電阻產(chǎn)生806a的恒流源，I +和I分量分別為壓力傳感器的正、負(fù)電源輸入。測試表明，恒流源在負(fù)載阻抗低于5 kQ時(shí)穩(wěn)定可靠，需要系統(tǒng)壓力傳感器供電。

圖3恒流源電路

2. 2. 3 A/D轉(zhuǎn)換電路

      由于MSP4 30F149單片機(jī)內(nèi)部集成的12位A/D不能滿足全尺寸系統(tǒng)的高精度要求，考慮到系統(tǒng)的微功耗要求，最終選用了24位A/D芯片ad77 14Y RU。該芯片能夠利用和差轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)高達(dá)24位的無差錯(cuò)編碼性能，與0。15%的非線性。此外，該芯片的內(nèi)封裝包含一個(gè)可編程放大器(PGA)，可將小信號尺寸放大高達(dá)128倍，節(jié)省了電路中高精度小信號放大電路的設(shè)計(jì)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

      在設(shè)計(jì)d7714外電路時(shí)，應(yīng)特別注意數(shù)字電源與模擬電源分開供電，數(shù)字地線通過O ft電阻后接地，避免彼此干干擾。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1分鐘數(shù)據(jù)采集

      MSP430有一種主用模式和五種低功耗模式，可以設(shè)置從主用模式進(jìn)入相應(yīng)的低功耗模式，也可以通過中斷模式進(jìn)入各種低功耗模式。MSP430在不同工作模式下的功耗差異較大，中低功耗模式3 (LP M3)和低功耗模式4(LM P4)系統(tǒng)的功耗相當(dāng)?shù)停�基本可以忽略不�?jì)。

      本系統(tǒng)采用采集時(shí)間數(shù)據(jù)的策略，即根據(jù)設(shè)定的食物條件采集不同的數(shù)據(jù)信息，如壓力、溫度、電池電壓等。以壓力數(shù)據(jù)采集集為例，數(shù)據(jù)采集不是每個(gè)程序周期進(jìn)行一次，而是根據(jù)時(shí)間信息進(jìn)行采集。系統(tǒng)程序設(shè)置為每0一次。1s進(jìn)入間歇中斷，在間歇中斷中退出低功耗模式3，進(jìn)入活模式，程序循環(huán)一次，然后進(jìn)入低功耗模式3 (LPC3)。同時(shí)，在循環(huán)中執(zhí)行程序，以在時(shí)間之間做出判斷，例如間隔是否達(dá)到0。4秒，讀取A壓力數(shù)據(jù)，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的總程序流程如圖4所示。

3.2變速速率平均濾波波

      實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，簡單的均值濾波方法不能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的要求。為此，根據(jù)壓力數(shù)據(jù)的變化率確定閥體的過濾方法。當(dāng)壓力數(shù)據(jù)變化較快時(shí)，采用少點(diǎn)平均濾波法，保證壓力表顯示數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。為了保證壓力數(shù)據(jù)變化緩慢時(shí)壓力表顯示數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，采用中間部分平均值法對多點(diǎn)進(jìn)行排序。

首先采集壓力數(shù)據(jù)，然后判斷連續(xù)兩次壓力數(shù)據(jù)的變化方向是否相同。如果不相同，則直接返回。如果相同，則用遞歸公式將壓力數(shù)據(jù)分成幾組，然后判斷如下公式:

3.3多點(diǎn)校準(zhǔn)和線性插值值

      研究發(fā)現(xiàn)，即使普通壓力傳感器采用恒流源供電，其輸出和輸入也不呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系，這給校準(zhǔn)帶來了困難。對于精度較低的壓力表，一般采用滿量程和零點(diǎn)校準(zhǔn)公式。經(jīng)實(shí)際測試，該標(biāo)定公式不能滿足高精度系統(tǒng)的標(biāo)定要求。因此，系統(tǒng)采用多點(diǎn)校準(zhǔn)公式，用多個(gè)線段近似壓力傳感器的輸出曲線(圖5)。

圖5多點(diǎn)標(biāo)定和線性插值

      系統(tǒng)最終采用11點(diǎn)校準(zhǔn)公式，即滿量程0%、10%、20%、…校準(zhǔn)完成后，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Cal_D iv [i]存儲在Flash數(shù)據(jù)存儲中。在計(jì)算當(dāng)前壓力值時(shí)，首先將得到的當(dāng)前壓力數(shù)據(jù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)C al-D iv [i]進(jìn)行比較，得到當(dāng)前壓力數(shù)據(jù)所處的區(qū)間。采用線性插值法計(jì)算當(dāng)前壓力值:

      實(shí)驗(yàn)得到的全量程、零點(diǎn)標(biāo)定公式和11點(diǎn)標(biāo)定公式的對比數(shù)據(jù)見表1。

      由表1可以看出，兩點(diǎn)標(biāo)定公式在0點(diǎn)和滿量程點(diǎn)附近精度較高，中間段誤差差較大，精度較低。因此，兩點(diǎn)定標(biāo)法只適用于精度較低的場合。本系統(tǒng)采用的多點(diǎn)校準(zhǔn)公式可以更準(zhǔn)確地?cái)M合壓力傳感器的輸出曲線，在大范圍內(nèi)提高測量精度，滿足系統(tǒng)對高精度壓力測量的要求。

3.4數(shù)據(jù)存儲和回放

      系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于MSP430中大容量閃存的數(shù)據(jù)存儲機(jī)制，可以實(shí)時(shí)存儲壓力表采集的壓力數(shù)據(jù)和壓力校準(zhǔn)值，保證在機(jī)器停機(jī)或斷電的情況下數(shù)據(jù)不丟失。并提供數(shù)據(jù)回放功能，查詢歷史存儲數(shù)據(jù)。

      由于本系統(tǒng)使用的單片機(jī)MSP430 F149內(nèi)部有64kb的Flash，除了占用其內(nèi)部資源外，還有60kb的代碼存儲空間和256b的A段和B段信息存儲器。完全滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲要求。A段信息存儲用于存儲存儲系統(tǒng)的壓力校準(zhǔn)值，以確保壓力表校準(zhǔn)一次后數(shù)據(jù)不會丟失。另外，從60KB的代碼存儲空間中預(yù)留10KB的空間用于存儲實(shí)時(shí)壓力數(shù)據(jù)。在存儲系統(tǒng)中，編寫一個(gè)簡單的文檔系統(tǒng)來管理和存儲數(shù)據(jù)，即采用文檔組的方式來存儲數(shù)據(jù)。由于存儲空間的限制，系統(tǒng)最多可存儲40個(gè)文件，每個(gè)文件可存儲20點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)，并添加清零功能，數(shù)據(jù)滿后，可手動(dòng)清空整個(gè)文件存儲區(qū)域。保證數(shù)據(jù)存儲的連續(xù)性。通過實(shí)際操作，簡化后的文件系統(tǒng)可以滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲和查詢回放的功能，也可以將存儲的數(shù)據(jù)通過RS232通信接口上傳到上位機(jī)進(jìn)行查看。

4結(jié)束語

      系統(tǒng)地介紹了高精度、低功耗、可存儲的數(shù)字式壓力計(jì)的設(shè)計(jì)，并從硬件和軟件兩個(gè)方面分別闡述了實(shí)現(xiàn)高精度和低功耗要求的方法，并給出了數(shù)據(jù)存儲和回放的方法。最后給出了實(shí)驗(yàn)對比數(shù)據(jù)，并對該壓力表的測量誤差進(jìn)行了分析。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該壓力表的測量精度可達(dá)0。25%0，在4節(jié)5節(jié)干電池的條件下，正常連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)3 000小時(shí)以上。本設(shè)計(jì)將促進(jìn)便攜式、微型電能表的發(fā)展，并為測量信息電子化、數(shù)字化奠定基礎(chǔ)。

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