數(shù)字壓力變送器的設(shè)計(jì)

【摘　要】　介紹了采用Σ△A／D轉(zhuǎn)換器和低功耗單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)字壓力變送器的系統(tǒng)組成和工作過(guò)程以及CS5523A／D轉(zhuǎn)換器的使用方法。
??? 關(guān)鍵詞：Σ△A／D轉(zhuǎn)換器，變送器，單片機(jī)

　　在工業(yè)控制領(lǐng)域中，需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而一般傳感器的輸出信號(hào)較為微弱，不宜作遠(yuǎn)距離傳輸。為了使信號(hào)傳送到遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制室時(shí)減小干擾，通常采用4mA～20mA輸出的雙線制變送器。信號(hào)模擬處理的變送器，由于電路復(fù)雜性的限制，非線性補(bǔ)償效果不理想，很難在全溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，因此達(dá)不到較高的精度要求。低功耗單片機(jī)、高分辨率Σ△A／D轉(zhuǎn)換器的日益普及，為高精度數(shù)字壓力變送器的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)途徑。本文介紹了采用Microchip公司的低功耗單片機(jī)、Σ△A／D轉(zhuǎn)換器及4mA～20mA電流輸出D／A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字壓力變送器的硬件構(gòu)成及工作原理。
1　系統(tǒng)硬件構(gòu)成及工作過(guò)程
??? 數(shù)字壓力變送器的硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　系統(tǒng)由壓力傳感器、溫度傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器、CPU、EEPROM、D／A轉(zhuǎn)換器及液晶顯示器等幾部分組成。A／D、D／A轉(zhuǎn)換器，EEPROM，液晶顯示器與CPU均使用串行接口。因?yàn)橄到y(tǒng)采用兩線制變送器方案，要求整個(gè)系統(tǒng)的電流小于4mA。選擇器件時(shí)功耗應(yīng)作為一個(gè)重要的因素考慮，本系統(tǒng)所使用的A／D轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器均具有省電功能，在設(shè)計(jì)軟件時(shí)，可以使各部分分時(shí)工作，確保整個(gè)系統(tǒng)的工作電流在4mA以內(nèi)。A／D轉(zhuǎn)換器使用CS5523Σ△A／D轉(zhuǎn)換器，其在5V工作電壓下，功耗為5．5mW，當(dāng)輸入信號(hào)范圍為1V、2．5V、5V時(shí)功耗僅1．8 mW；CPU采用PIC16C711，其工作電流與時(shí)鐘有關(guān)，在5V、32kHz時(shí)，電流小于100μA；液晶顯示器工作電流小于50μA；D／A轉(zhuǎn)換器采用AD421，其內(nèi)部帶有電壓調(diào)整電路，外部?jī)H需一只N溝道場(chǎng)效應(yīng)管即可為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V工作電壓，D／A轉(zhuǎn)換器還可為系統(tǒng)提供1．25 V或2．5 V的基準(zhǔn)電壓作為A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。
　　系統(tǒng)的工作過(guò)程：從壓力傳感器和溫度傳感器來(lái)的信號(hào)進(jìn)入到A／D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部具有程控放大器，可根據(jù)輸入信號(hào)范圍自動(dòng)設(shè)置放大器的增益，A／D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化并數(shù)字濾波后，由CPU根據(jù)當(dāng)前的溫度，從EEPROM中讀取零點(diǎn)、線性度校正數(shù)據(jù)，進(jìn)行壓力傳感器的零點(diǎn)校正、非線性補(bǔ)償。然后根據(jù)量程范圍進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換，將壓力數(shù)字量送到D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流輸出，同時(shí)將壓力以kPa為單位顯示在液晶顯示器上。
2　CS5523 A／D轉(zhuǎn)換器
　　系統(tǒng)中所使用的A／D轉(zhuǎn)換器是高集成度、四通道16位Σ△A／D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部包括儀器放大器、可編程增益放大器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、數(shù)字濾波器及自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)電路。芯片提供負(fù)壓產(chǎn)生電路，僅需少量的外圍元件就可以為內(nèi)部放大器提供負(fù)壓，使得A／D轉(zhuǎn)換器可以對(duì)不超過(guò)±100mV的雙極性信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。
2．1　A／D轉(zhuǎn)換器寄存器的設(shè)置
　　CS5523的寄存器有配置寄存器（ConfigurationRegister）、信道設(shè)置寄存器（Channel SetupRegisters）、增益寄存器（Gain Registers）、零點(diǎn)偏移寄存器（Offset Registers）、兩組命令寄存器（CommandRegister）。增益寄存器和偏移寄存器存放A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部放大器的增益、零點(diǎn)漂移校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，如果使用增益、零點(diǎn)偏移自校準(zhǔn)命令，校準(zhǔn)結(jié)果自動(dòng)存放至相應(yīng)的寄存器中，也可以人工校準(zhǔn)增益、零點(diǎn)偏移，然后將校準(zhǔn)結(jié)果寫入相應(yīng)寄存器中。一般采用內(nèi)部自校準(zhǔn)方式，當(dāng)溫度變化時(shí)，由軟件控制A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行增益、零點(diǎn)偏移校準(zhǔn)。這樣，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)內(nèi)部程控放大器的增益、零點(diǎn)漂移誤差。
　　配置寄存器用于設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換器的工作模式（多次轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換），多次轉(zhuǎn)換時(shí)轉(zhuǎn)換一次的邏輯信道數(shù)，省電模式使能，負(fù)壓電路使能及各種標(biāo)志位。
　　信道設(shè)置寄存器用于設(shè)置邏輯信道與物理信道的對(duì)應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)換速率，各物理信道的輸入信號(hào)范圍及輸入信號(hào)極性（負(fù)壓電路使能時(shí)，可以雙極性信號(hào)輸入）。信道設(shè)置寄存器由4個(gè)24位寄存器組成，每個(gè)邏輯信道對(duì)應(yīng)12位，共可設(shè)置8個(gè)邏輯信道。一個(gè)物理信道可以對(duì)應(yīng)多個(gè)邏輯信道，且多個(gè)邏輯信道可以具有不同的轉(zhuǎn)換速率、輸入信號(hào)范圍。因此，在多次轉(zhuǎn)換模式時(shí)，一次轉(zhuǎn)換可以得到對(duì)某一物理信道的多次轉(zhuǎn)換結(jié)果。
　　兩組命令寄存器一組（最高位為0）用于讀寫各物理信道的增益寄存器、偏移寄存器，讀寫配置寄存器、信道設(shè)置寄存器以及讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。另一組（最高位為1）用于各邏輯信道的增益、零點(diǎn)偏移自校準(zhǔn)，增益、零點(diǎn)偏移系統(tǒng)校準(zhǔn)及啟動(dòng)正常轉(zhuǎn)換。
2．2　工作模式設(shè)置
　　CS5523可以設(shè)置為多次轉(zhuǎn)換模式或單次轉(zhuǎn)換模式。當(dāng)設(shè)置為多次轉(zhuǎn)換模式時(shí)，應(yīng)將配置寄存器的MC位設(shè)置為1，同時(shí)要設(shè)置多次轉(zhuǎn)換時(shí)，一次轉(zhuǎn)換的邏輯信道數(shù)（對(duì)應(yīng)配置寄存器的深度指針）且設(shè)置值應(yīng)為001，011或111。當(dāng)設(shè)置為單次轉(zhuǎn)換模式時(shí)，配置寄存器的MC位設(shè)置為0，配置寄存器的深度指針不起作用，對(duì)某一邏輯信道進(jìn)行轉(zhuǎn)換直接由命令寄存器的信道指針（ChannelPointer）確定。
2．3　增益、零點(diǎn)偏移自校準(zhǔn)
　　做增益、零點(diǎn)偏移自校準(zhǔn)時(shí)，首先要設(shè)置好信道設(shè)置寄存器。設(shè)置好信道指針后，直接使用校準(zhǔn)命令就可以對(duì)某一邏輯信道進(jìn)行增益、零點(diǎn)偏移自校準(zhǔn)。值得注意的是如果一個(gè)物理信道對(duì)應(yīng)多個(gè)邏輯信道，且多個(gè)邏輯信道設(shè)置的轉(zhuǎn)換速率、輸入信號(hào)范圍不同，A／D轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)的校準(zhǔn)結(jié)果為最后一個(gè)邏輯信道的校準(zhǔn)結(jié)果。因此，當(dāng)使用一個(gè)物理信道對(duì)應(yīng)多個(gè)邏輯信道方式，擴(kuò)展模擬輸入通道時(shí)，對(duì)每個(gè)邏輯信道進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換時(shí)，可能都要進(jìn)行增益、零點(diǎn)偏移自校準(zhǔn)，否則會(huì)造成較大誤差。
3　軟件設(shè)計(jì)
　　整個(gè)系統(tǒng)軟件包括如下幾個(gè)模塊：（1）系統(tǒng)初始化包括液晶顯示器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器的初始化；（2）A／D轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn)包括各通道增益、零點(diǎn)漂移校正；（3）壓力、溫度數(shù)據(jù)采集；（4）壓力傳感器零點(diǎn)校準(zhǔn)，非線性補(bǔ)償；（5）量程轉(zhuǎn)換，D／A數(shù)據(jù)輸出；（6）壓力顯示
模塊。軟件流程圖如圖2所示。

4　試驗(yàn)結(jié)果
　　我們采用陶瓷壓阻壓力傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)為：量程30kPa，靈敏度2mV／V，零點(diǎn)±0．2mV／V，線性度±0．2％，工作溫度－40℃～＋125℃。A／D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)范圍設(shè)置為±25mV?？紤]到傳感器的線性度誤差能滿足系統(tǒng)精度要求，數(shù)據(jù)處理僅考慮零點(diǎn)校正。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。