引言
在工業(yè)控制過(guò)程中,經(jīng)常需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,而一般傳感器的輸出信號(hào)較弱,不適合作遠(yuǎn)距離傳輸。為了減小干擾,通常采用4ma~20ma電流輸出的雙絞線變送器。信號(hào)模擬處理的變送器,由于電路的復(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。隨著低功耗高精度單片機(jī)﹑σδa/d和σδd/a轉(zhuǎn)換器的日益普及,為高精度的智能變送器的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)途徑。本文介紹了利用美國(guó)德州儀器公司（texas instrument）新近推出了一種功能很強(qiáng)的低功耗單片機(jī)制作高精度智能變送器的硬件構(gòu)成及工作原理。
系統(tǒng)硬件構(gòu)成及工作過(guò)程
智能變送器的硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)由壓力傳感器、溫度測(cè)量芯片、低功耗單片機(jī)msc1211、液晶顯示、編程接口、電源管理和電流輸出等幾部分構(gòu)成。液晶顯示采用并行接口,編程接口采用串行口。由于制作的為兩線制變送器要求在環(huán)路供電時(shí)輸出電流在4~20ma,考慮到其他方面的影響,要求整個(gè)系統(tǒng)的電流在3.5ma左右,這樣在零壓力比較容易調(diào)出4ma,所以在選擇器件時(shí)功耗應(yīng)重點(diǎn)考慮。本系統(tǒng)采用的帶有片上d/a和a/d的單片機(jī)和液晶顯示器均具有省電功能,溫度芯片為單線制低功耗。在設(shè)計(jì)軟件時(shí)讓通訊部分和采樣部分分時(shí)工作,以確保整個(gè)系統(tǒng)在3.5ma左右。msc1211在2.7~5.25v工作電壓下功耗小于4mw,液晶顯示器的工作電流小于50μa;另外msc1211可以提供精確的2.5v或1.25v的基準(zhǔn)電壓作為a/d和d/a轉(zhuǎn)換器的參考電壓。
系統(tǒng)的工作過(guò)程：從壓力傳感器來(lái)的信號(hào)進(jìn)入到a/d轉(zhuǎn)換器,其內(nèi)部具有可編程增益放大器,可根據(jù)輸入信號(hào)的范圍自動(dòng)設(shè)置增益放大倍數(shù),a/d轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化并進(jìn)行數(shù)字濾波后,由cpu根據(jù)從溫度芯片ds18b20讀來(lái)的溫度信號(hào),從falsh存儲(chǔ)器中讀取零點(diǎn)、線性度校正系數(shù)后,進(jìn)行溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償,然后根據(jù)量程范圍進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換并將其送到d/a轉(zhuǎn)換器,從而輸出相應(yīng)的電流值,同時(shí)將壓力以相應(yīng)的單位顯示在液晶顯示器上。
msc1211a/d和d/a轉(zhuǎn)換器
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－δa/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(kāi)關(guān)、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理及信號(hào)校準(zhǔn)電路。芯片可以提供自帶高精度標(biāo)準(zhǔn)電壓,精度為0.2%,漂移為5ppm/°c,因此可以節(jié)省空間以及器件成本,也可輸出該電壓標(biāo)準(zhǔn)或外接電壓標(biāo)準(zhǔn)。從而可以對(duì)外部傳感器輸出的0~100mv微信號(hào)進(jìn)行采集。
a/d轉(zhuǎn)換器的設(shè)置:
在利用msc1211的片上a/d進(jìn)行采樣時(shí),需要設(shè)置的寄存器為多路開(kāi)關(guān)寄存器（admux）、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制寄存器（adcon0~adcon3）、總和和移位寄存器（summation/shift control）以及adc偏移量設(shè)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(jì)算模式控制位,adcon2~3使用來(lái)設(shè)計(jì)ad轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)的速率。總和和移位寄存器用來(lái)設(shè)計(jì)一次輸出需要進(jìn)行采樣的個(gè)數(shù)如可以設(shè)置為進(jìn)行8次ad轉(zhuǎn)換后取平均值后輸出數(shù)據(jù)。adc偏移量設(shè)置寄存器是用來(lái)存放零點(diǎn)偏移,以便于進(jìn)行校正。
a/d轉(zhuǎn)換程序舉例：
下面是我們用在智能變送器中的ad采樣程序已經(jīng)在keilc51v7.05環(huán)境中編譯,并從計(jì)算機(jī)的串口下載到智能變送器的電路板上,能正確采樣并在液晶上顯示和通過(guò)da轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的電流值。
#include
#define xtal 843200 // 設(shè)置晶振頻率
#define a_clk 9
#define decimation 288
void main( )
{
aclk=a_clk; // 設(shè)置模擬時(shí)鐘頻率
adcon0=0x31; // 設(shè)置參考電壓和增益倍數(shù)
adcon2 = decimation & 0xff; //設(shè)置ad轉(zhuǎn)換速率每秒10次
adcon3=(decimation>>8) & 0x07;
adcon1 = 0x01; // 設(shè)置濾波方法
admux=0x10;
pdcon&=0x0f7 ; //打開(kāi)ad轉(zhuǎn)換器
while(1)
{
display((adresh); //調(diào)用顯示函數(shù)顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果
display((adresm);
display((adresl);
}
}
d/a轉(zhuǎn)換器的設(shè)置:
相對(duì)于a/d轉(zhuǎn)換而言,d/a轉(zhuǎn)換器的設(shè)置就非常簡(jiǎn)單。它需要配置4個(gè)da轉(zhuǎn)換寄存器（dac0~dac3）和dac裝載控制寄存器。da轉(zhuǎn)換寄存器控制著相應(yīng)的電壓輸出方式和參考電壓。裝載控制寄存器是用來(lái)控制裝載da數(shù)據(jù)方式的。
軟件設(shè)計(jì)
智能變送器的軟件部分包括以下幾個(gè)模塊:(1)對(duì)msc1211進(jìn)行初始化包括對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化、液晶顯器、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(zhǔn)包括各通道增益、零點(diǎn)漂移校正。(3)現(xiàn)場(chǎng)壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集(4)壓力傳感器的零點(diǎn)校準(zhǔn),溫度漂移補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償(5)量程轉(zhuǎn)換,d/a數(shù)據(jù)輸出(6)實(shí)時(shí)壓力顯示。軟件流程圖如圖2所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)采用sensymict19c系列的壓阻式壓力傳感器,其主要技術(shù)指標(biāo)為：量程為100kpa,靈敏度為2mv/v,零點(diǎn)為±2mv,線性度為±0.2%,工作溫度為-40~125°c。a/d轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)范圍設(shè)置為±100mv,經(jīng)過(guò)溫度漂移補(bǔ)償和非線性校正后,所得的試驗(yàn)部分結(jié)果為如表1所示,經(jīng)過(guò)計(jì)算可得其精度在千分之三以?xún)?nèi),滿(mǎn)足了制造高精度變送器的要求。
結(jié)語(yǔ)
使用本文提出的方案設(shè)計(jì)的智能變送器具有高精度,可以進(jìn)行在線編程,體積小,使用方便等特點(diǎn),可以應(yīng)用在需要檢測(cè)微弱參數(shù)的很多領(lǐng)域。