微功耗單片機(jī)在數(shù)字壓力表設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
從設(shè)計(jì)思路、元件選擇、特殊a /b轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用等方面介紹了 以超低功耗單片機(jī)M SP430系列為核心進(jìn)行微功耗長壽命數(shù)字壓力表設(shè) 計(jì)的相關(guān)技術(shù)。
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(dāng)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(shè)計(jì)中，儀表的功耗與電池 壽命之間的矛盾是設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng) 用低功耗思想成為必然的選擇本文介紹微功耗單片機(jī)在數(shù)字式壓力表設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
1.設(shè)計(jì)要求及總體設(shè)計(jì)思路
采用壓力傳感器(橋臂電阻約8 k8)替代彈簧管機(jī)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(dá)到1級(jí)精度、最低的成本
設(shè)計(jì)是圍繞如何實(shí)現(xiàn)低功耗展開的根據(jù)設(shè)計(jì)要求，傳感器橋臂電阻為8 k8，假設(shè)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(shè)計(jì)要求最初的設(shè)想 是在儀表上加裝手動(dòng)開關(guān)或遙控開關(guān)，在工作時(shí)打開，不工作時(shí)關(guān)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(guān)都不能從根本上達(dá)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(fù)推敲，我們發(fā)現(xiàn)通過單片機(jī)軟件來控制壓力傳感器 的供電和采樣以及計(jì)算和顯示測量結(jié)果是一個(gè)最優(yōu)化方案，系統(tǒng)的基本組成如圖1，單片機(jī)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(jī)控制傳感器及放大器的供電，且采樣A/D轉(zhuǎn) 換，計(jì)算所需的時(shí)間很短，而等待的時(shí)間間隔是可調(diào)的，且相對(duì)很長通過確定一個(gè)合適的比例 (例如1: 50)，就可以達(dá)到明顯降低功耗的效果前提是在等待狀態(tài)時(shí)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(jī)、顯示器及存儲(chǔ)器是長期工作的，因此這三件在等待狀態(tài)時(shí)的電流應(yīng)控制在30 M左右,而單片機(jī)、
傳感器和放大器工作時(shí)電流<800 那么即使按1 : 40的時(shí)間比例來計(jì)算,平均電流可控制在20 ▲以內(nèi)，因此整個(gè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求考慮到環(huán)境、介質(zhì)溫度等其它條件的變化對(duì)電池壽命的影響，2 a時(shí)間應(yīng)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(chǔ)器和放大器有較多的選擇,而微功耗單片機(jī)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(jī)該系列單片機(jī)為16位超低功耗單片機(jī)，且內(nèi)部集成了A /D轉(zhuǎn)換器,特別為智能式儀表、電池供電便攜設(shè)備而設(shè)計(jì)它具有獨(dú)特的超低功耗設(shè)計(jì)，內(nèi)設(shè)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(dòng)模式之間可快速由指令
進(jìn)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(shè)計(jì)帶來了很大的方便
事實(shí)上微功耗壓力表的設(shè)計(jì)思路與430系列單片機(jī)的設(shè)計(jì)思路彳艮相近，其共同點(diǎn)是在省電狀態(tài)下，把各種不必要的模塊全部關(guān)閉，當(dāng)需要時(shí)再打開這種切換是軟件可控制的，且速度
非?？?轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為6 aS).
3.特殊的A/轉(zhuǎn)換
為了提高集成度和降低成本,壓力表的設(shè)計(jì)利用了 430單片機(jī)內(nèi)部集成的特殊A/b轉(zhuǎn)換 器(SbpeA/b),該A/b轉(zhuǎn)換器利用電容充放 電原理,可用于電阻、電壓、電流的轉(zhuǎn)換壓力傳 感器經(jīng)放大后為電壓信號(hào),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(duì)Ci進(jìn)行充 電，經(jīng)過ti時(shí)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(jìn)行放電，同時(shí)單片機(jī)內(nèi)的計(jì) 時(shí)器開始計(jì)時(shí),當(dāng)CM P I處電平降低至一個(gè)軟 件內(nèi)部設(shè)定的參考電平^CArrfC通常為0.25 ?
U時(shí)，比較器觸發(fā)內(nèi)部計(jì)時(shí)器,計(jì)時(shí)結(jié)束,計(jì) 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(hào) 與經(jīng)放大后的電壓KmeaS成正比,V削如對(duì)C1進(jìn)行1 充電,經(jīng)過t2時(shí)間后,充電結(jié)束,將P1. 1置低 電平,C1經(jīng)Rd放電，同上計(jì)時(shí)器計(jì)得整k 個(gè)采樣測量時(shí)的充放電曲線如圖5.
根據(jù)放電時(shí)間與放電電壓的關(guān)系及被測壓 力與輸出電壓之間的關(guān)系,可推出被測壓力 Pm eas^與 tref、 之間的關(guān)系為
Pmeas = a ? et' 1 + b 式中 h =咖
tref
可以看出由于Pm-與n關(guān)系并不是一個(gè)線性關(guān)系,而且系數(shù)a、b與電路及傳感器參數(shù)有 關(guān),并不是每臺(tái)儀表都一致,這就給儀表的調(diào)整與校準(zhǔn)帶來困難,而且計(jì)算指數(shù)函數(shù)對(duì)單片機(jī) 匯編語言來說即困難又耗時(shí)為了解決這一問題,同時(shí)考慮到校準(zhǔn)方便,將Pm與rt的關(guān)系曲 線均勻地分為十段,用11點(diǎn)連成的折線近似代替曲線,如圖6
將每一個(gè)點(diǎn)的壓力與rt對(duì)應(yīng)的值存入儀表的存儲(chǔ)器中,采用線性插值的辦法就可在整個(gè) 量程內(nèi)根據(jù)rt值計(jì)算出相應(yīng)的壓力值,經(jīng)計(jì)算用11點(diǎn)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(duì)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(shè)計(jì)要求應(yīng)用了這種方法使儀表對(duì)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(dá)到要求,提高了硬件兼容性
在當(dāng)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(yīng)用用它可以 對(duì)儀表的非線性進(jìn)行修正,或?qū)χ貜?fù)性好的儀表進(jìn)行誤差補(bǔ)償,這樣就可以達(dá)到提高儀表的測 量精度,擴(kuò)展儀表量程等目的
4.結(jié)束語
在微功耗、數(shù)字式壓力表設(shè)計(jì)中，從設(shè)計(jì)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(jī)為核心，在電路設(shè)計(jì)上和軟件編 程方面融入低功耗設(shè)計(jì)思想，利用了單片機(jī)內(nèi)部的特殊A/D轉(zhuǎn)換器降低了成本，并采用將校 準(zhǔn)曲線分段存儲(chǔ)、線性插值的方法，簡化了儀表的設(shè)計(jì)，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。
