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    微功耗单片机在数字压力表设计中的应用

    发布时间:2019-11-03  阅读:180次

    从设计思路、元件选择、特殊a/b转换器的应用等方面介绍了以超低功耗单片机MSP430系列为核心进行微功耗长寿命数字压力表设计的相关技术。

    在仪器仪表行业,从前单功能的模拟仪器仪表正向着数字化、多功能、智能化方向发展当前,在许多以电池供电的仪器仪表,尤其是需要长期工作的仪表设计中,仪表的功耗与电池寿命之间的矛盾是设计者首先面临的问题,选择低功耗、微功耗元件及处理器,并在设计时应用低功耗思想成为必然的选择本文介绍微功耗单片机在数字式压力表设计中的应用

    1.设计要求及总体设计思路

    采用压力传感器(桥臂电阻约8k8)替代弹簧管机械式压力表、电池供电、液晶数字显示、可持续工作两年以上,达到1级精度、最低的成本

    设计是围绕如何实现低功耗展开的根据设计要求,传感器桥臂电阻为8k8,假设用3V电池供电,电池容量为2Ah,则仪表可连续工作200d左右,无法满足设计要求最初的设想是在仪表上加装手动开关或遥控开关,在工作时打开,不工作时关闭来降低功耗这一想法很快被否定,由于仪表可能安装在不易接触到的高处,遥控接收装置要长期耗电,而且如果仪表用于长期监测,不论是哪一种开关都不能从根本上达到降低功耗的目的从外部控制功耗的方案看来不可行,必须从内部着手经过反复推敲,我们发现通过单片机软件来控制压力传感器的供电和采样以及计算和显示测量结果是一个最优化方案,系统的基本组成如图1,单片机软件工作流程如图2

    由以上两图可清楚地看出,由于采用单片机控制传感器及放大器的供电,且采样A/D转换,计算所需的时间很短,而等待的时间间隔是可调的,且相对很长通过确定一个合适的比例(例如1:50),就可以达到明显降低功耗的效果前提是在等待状态时要有很低的能量消耗

    2.元件选择

    元件选择同样是以低功耗、低成本为原则的由于单片机、显示器及存储器是长期工作的,因此这三件在等待状态时的电流应控制在30M左右,而单片机、

    传感器和放大器工作时电流<800那么即使按1:40的时间比例来计算,平均电流可控制在20▲以内,因此整个系统的平均电流可控制在50▲左右如果选择2Ah的锂电池,

    连续工作的设计寿命超过4a,而且脉冲放电有助于延长电池寿命,可以满足设计要求考虑到环境、介质温度等其它条件的变化对电池寿命的影响,2a时间应是完全没有问题的根据以上分析和市场调查,微功耗的显示器存储器和放大器有较多的选择,而微功耗单片机能满足要求的不多,经过比较我们选择了美国德

    州公司(TexasInstrument)最新推出的MSP430系列单片机该系列单片机为16位超低功耗单片机,且内部集成了A/D转换器,特别为智能式仪表、电池供电便携设备而设计它具有独特的超低功耗设计,内设5种低功耗模式以满足

    不同工作状态的需要,如图3,在各种低功耗模式与活动模式之间可快速由指令

    进行切换,且在低功耗模式3(可用于等待状态)状态下,消耗电流极低(只有1.3aA),这就给微功耗仪表设计带来了很大的方便

    事实上微功耗压力表的设计思路与430系列单片机的设计思路彳艮相近,其共同点是在省电状态下,把各种不必要的模块全部关闭,当需要时再打开这种切换是软件可控制的,且速度

    非常快(转换时间仅为6aS).

    3.特殊的A/转换

    为了提高集成度和降低成本,压力表的设计利用了430单片机内部集成的特殊A/b转换器(SbpeA/b),该A/b转换器利用电容充放电原理,可用于电阻、电压、电流的转换压力传感器经放大后为电压信号,利用SlopeA/b测量,其电路原理如图4

    首先将P11置高电平,开始对Ci进行充电,经过ti时间后充电完成,比较器输入端CMPI处的电平为Kcc然后将P11置低电平,

    Ci开始通过Rd进行放电,同时单片机内的计时器开始计时,当CMPI处电平降低至一个软件内部设定的参考电平CArrfC通常为0.25?

    U时,比较器触发内部计时器,计时结束,计得frrf第二步,将P1.1置高阻状态,P2.1置高电平给传感器及放大器供电压力信号与经放大后的电压KmeaS成正比,V削如对C1进行1充电,经过t2时间后,充电结束,将P1.1置低电平,C1经Rd放电,同上计时器计得整k个采样测量时的充放电曲线如图5.

    根据放电时间与放电电压的关系及被测压力与输出电压之间的关系,可推出被测压力Pmeas与tref、之间的关系为

    Pmeas=a?et'1+b式中h=咖

    tref

    可以看出由于Pm-与n关系并不是一个线性关系,而且系数a、b与电路及传感器参数有关,并不是每台仪表都一致,这就给仪表的调整与校准带来困难,而且计算指数函数对单片机汇编语言来说即困难又耗时为了解决这一问题,同时考虑到校准方便,将Pm与rt的关系曲线均匀地分为十段,用11点连成的折线近似代替曲线,如图6

    将每一个点的压力与rt对应的值存入仪表的存储器中,采用线性插值的办法就可在整个量程内根据rt值计算出相应的压力值,经计算用11点折线近似代替曲线误差曲线形状如图7,由于指数函数的特性,相对误差在rt接近1的一段中间出现最大值,但其理论误差小于0.12%,可以满足设计要求应用了这种方法使仪表对电路元件和传感器一致性要求降低,经过简单的调整就可达到要求,提高了硬件兼容性

    在当今数字化、智能化仪表中,这种分段线性插值的方法可以得到广泛的应用用它可以对仪表的非线性进行修正,或对重复性好的仪表进行误差补偿,这样就可以达到提高仪表的测量精度,扩展仪表量程等目的

    4.结束语

    在微功耗、数字式压力表设计中,从设计思路到元件选用都把降低功耗、降低成本放在首位该仪表以刚刚推出不久的超低功耗MSP430系列单片机为核心,在电路设计上和软件编程方面融入低功耗设计思想,利用了单片机内部的特殊A/D转换器降低了成本,并采用将校准曲线分段存储、线性插值的方法,简化了仪表的设计,提高了硬件兼容性,在降低成本的前提下获得了较高的精度和超长的使用寿命。


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