周光兵，羅 軍，張小軍

(上海艾絡(luò)格電子技術(shù)有限公司，上海 201105)

0 引言

壓力變送器按照傳感器結(jié)構(gòu)組成分類(lèi)主要有電容式和硅壓阻式[1]，其中硅壓阻式傳感器以其成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕、分辨率高等特點(diǎn)[2]正被大量用在工業(yè)測(cè)量與環(huán)境監(jiān)測(cè)方面。目前市場(chǎng)上采用硅壓阻式傳感器構(gòu)建的直接安裝型壓力變送器大多采用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，比較經(jīng)典的是用單芯片XTR105來(lái)實(shí)現(xiàn)的，或者用儀表運(yùn)放等分立元件來(lái)設(shè)計(jì)，這些方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是變送器的測(cè)量精度和溫度性能方面比起智能型壓力變送器要差。智能型硅壓力變送器的設(shè)計(jì)方案大多是傳感器加儀表運(yùn)放再加ADC轉(zhuǎn)換后給MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，線性溫度修正，然后DAC輸出4～20 mA模擬信號(hào)。這樣的方案雖然可以做到高精度，高穩(wěn)定性，但是整個(gè)系統(tǒng)采用了較多的芯片模塊，一方面增加了成本，另一方面要做到小體積非常困難。ADuCM360芯片內(nèi)部集成了PGA放大器，雙路24位ADC，ARM CORTEX-M3內(nèi)核處理器以及恒流源輸出模塊。非常適合在4～20 mA環(huán)路供電智能變送器設(shè)計(jì)中使用。該設(shè)計(jì)就是采用ADuCM360與擴(kuò)散硅壓力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)小巧型、低成本、高性能的智能壓力變送器。

1 ADuCM360概述

ADuCM360是完全集成的3．9 KSPS、24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在單芯片上集成雙核高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、32位ARM CortexTM-M3處理器和Flash/EE存儲(chǔ)器。ADuCM360自帶一個(gè)片內(nèi)32 kHz振蕩器和一個(gè)內(nèi)部16 MHz高頻振蕩器。微控制器的內(nèi)核為低功耗ARM Cortex-M3處理器，它是一個(gè)32位RISC機(jī)器，峰值性能最高可達(dá)20 MIPS。Cortex-M3處理器集成了靈活的11通道DMA控制器，支持各種通信外設(shè)(SPI、UART和I2C)。片內(nèi)還集成128 KB非易失性Flash/EE存儲(chǔ)器和8 KB SRAM。模擬子系統(tǒng)由雙通道ADC組成，每個(gè)ADC均連接到一個(gè)靈活的輸入多路復(fù)用器。兩個(gè)ADC都可在全差分和單端模式下工作。其他的片內(nèi)ADC功能包括：雙通道可編程激勵(lì)電流源、診斷電流源和偏置電壓產(chǎn)生器AVDD_REG/2(900 mV)，可用于設(shè)置輸入通道的共模電壓。低端內(nèi)部接地開(kāi)關(guān)可在兩次轉(zhuǎn)換之間關(guān)斷外部電路(例如橋電路)。該器件集成一個(gè)低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，但在采用比例式測(cè)量配置時(shí)可配置成接受一或兩個(gè)外部基準(zhǔn)電壓源。片內(nèi)集成了可緩存外部基準(zhǔn)電壓輸入的選項(xiàng)。片內(nèi)集成一個(gè)單通道帶緩沖的電壓輸出DAC。ADuCM360集成了一系列片內(nèi)外設(shè)，可以根據(jù)應(yīng)用需要通過(guò)微控制器軟件控制進(jìn)行配置。這些外設(shè)包括：UART、I2C和雙通道SPI串行I/O通信控制器、19引腳GPIO端口；2個(gè)通用定時(shí)器；喚醒定時(shí)器及系統(tǒng)看門(mén)狗定時(shí)器。同時(shí)提供了一個(gè)帶6個(gè)輸出通道的16位PWM控制器。ADuCM360專(zhuān)為要求低功耗工作的電池供電應(yīng)用而設(shè)計(jì)。微控制器內(nèi)核可配置為正常工作模式，功耗為290 μA/ MHz(包括flash/SRAM IDD)。在兩個(gè)ADC均打開(kāi)(輸入緩沖器關(guān)閉)、PGA增益為4、一個(gè)SPI端口打開(kāi)和所有定時(shí)器均打開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)總電流消耗可以達(dá)到1 mA．ADuCM360可以直接通過(guò)程序控制配置為多種低功耗工作模式，包括休眠模式(內(nèi)部喚醒定時(shí)器有效)，此時(shí)能耗僅為4 μA．在休眠模式下，諸如外部中斷或內(nèi)部喚醒定時(shí)器等外設(shè)可以喚醒該器件。該模式可讓器件在功耗極低的情況下運(yùn)行，同時(shí)仍然響應(yīng)外部異步或周期事件[3]。該器件采用外部1．8～3．6 V電源供電，額定溫度范圍為-40～+125 ℃工業(yè)溫度范圍。圖1為ADuCM360的功能框圖。

圖1 ADuCM360內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

由于ADuCM360的封裝為QFN48，外形尺寸僅為7 mm×7 mm，非常小巧，而且其內(nèi)部集成了前置放大、ADC和MCU以及12位DADC，幾乎單顆芯片就可以實(shí)現(xiàn)完整的變送器方案，因此特別適合在投入式液位變送器等對(duì)結(jié)構(gòu)要求比較苛刻的設(shè)計(jì)中使用。圖2為完整的硬件設(shè)計(jì)原理圖。該系統(tǒng)主要由ADuCM360配合XTR115芯片構(gòu)成，其中ADuCM360負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、A/D轉(zhuǎn)換、智能補(bǔ)償、線性擬合和DAC輸出等工作，XTR115主要負(fù)責(zé)V/I轉(zhuǎn)換輸出4～20 mA電流信號(hào)，同時(shí)為整個(gè)系統(tǒng)提供工作電源。傳感器采用硅壓阻式壓力傳感器，信號(hào)激勵(lì)源由ADuCM360內(nèi)置的恒流源產(chǎn)生，該恒流源輸出范圍為50～1 000 μA；可由軟件任意配置。傳感器輸出的mV信號(hào)經(jīng)濾波后接入ADuCM360的模擬輸入引腳，該差分信號(hào)可由ADuCM360內(nèi)部集成的PGA進(jìn)行放大后經(jīng)由芯片內(nèi)置的Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，該P(yáng)GA的放大倍數(shù)可自由編程設(shè)定為1、2、4、8、16、32、64、128等。與此同時(shí)另一路模擬信號(hào)由一個(gè)LL4148二極管構(gòu)成的PN結(jié)測(cè)溫電路組成，其目的是用來(lái)測(cè)量傳感器的工作溫度，作為溫度補(bǔ)償時(shí)的溫度傳感器。由于ADuCM360內(nèi)部集成了2個(gè)完全獨(dú)立的ADC內(nèi)核，因此可以將壓力信號(hào)和溫度信號(hào)分別送入各自的ADC內(nèi)核同時(shí)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)首先通過(guò)ARM CortexTM-M3內(nèi)核進(jìn)行數(shù)字濾波等處理，然后進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正和線性化擬合，擬合后的A/D值根據(jù)標(biāo)定時(shí)計(jì)算好的模型公式即可換算出相應(yīng)的壓力值。再根據(jù)變送器壓力值在量程范圍中所占的百分比即可換算成相應(yīng)的4～20 mA電流值。由于ADuCM360內(nèi)置了DAC模塊，該DAC的分辨率在正常模式下為12位，在插值模式下可以達(dá)到14位有效位。當(dāng)采用芯片內(nèi)置的1．2 V基準(zhǔn)時(shí)，該模塊的輸出范圍是0～1．2 V；為此專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的軟件換算公式，使壓力值為量程下限時(shí)DAC模塊輸出0．204 V，壓力值為量程上限時(shí)DAC輸出1．02 V．該模擬量輸出后經(jīng)由5．1 kΩ限流電阻R3后送入XTR115芯片的2腳，輸入XTR115芯片的電流值范圍為40～200 μA．由于XTR115的電流輸出公式為：

圖2 智能壓力變送器硬件原理圖

Iout=100Iin

式中Iin為XTR115的2腳輸入的電流值，μA．

因此XTR115的輸出范圍為4～20 mA．XTR115輸出經(jīng)由三極管Q1后輸出，Q1的作用是增加驅(qū)動(dòng)能力，分擔(dān)大部分的電流，當(dāng)供電電壓為40 V，輸出電流為20 mA時(shí)，消耗在Q1上的功率大約為0．8 W，因此Q1要盡可能選用大功率的三極管，而且在線路板布局時(shí)盡量遠(yuǎn)離XTR115芯片和其他芯片并采取合理散熱措施，以避免由于Q1發(fā)熱而帶來(lái)的溫度影響[4-5]。由于ADuCM360完全采用了低功耗設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中選擇主頻為1 MHz，定時(shí)器0打開(kāi)，ADC模塊和DAC模塊以及串口模塊均正常工作時(shí)的實(shí)測(cè)功耗約為1．5 mA，傳感器激勵(lì)的功耗最大1 mA，其他XTR115以及LDO芯片等合計(jì)約為0．5 mA，整個(gè)系統(tǒng)總功耗不超過(guò)3 mA，因此系統(tǒng)功耗完全滿足設(shè)計(jì)需要。系統(tǒng)通過(guò)UART接口與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，從而可以方便地對(duì)變送器進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和組態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

變送器的軟件設(shè)計(jì)包括傳感器信號(hào)采集模塊、溫度補(bǔ)償模塊、線性擬合模塊、壓力值計(jì)算模塊、DAC輸出控制、UART通信模塊等幾個(gè)部分。變送器系統(tǒng)的線性度和溫度影響量是影響整個(gè)儀表系統(tǒng)精度的重要指標(biāo)之一，通過(guò)事先建好的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)一系列的算法，將原始采集的A/D數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償和線性化補(bǔ)償，使得補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)具有線性化誤差和溫度誤差最小的特點(diǎn)。然后再根據(jù)用戶標(biāo)定時(shí)設(shè)定的量程來(lái)?yè)Q算出對(duì)應(yīng)的輸出電流信號(hào)。圖3為變送器軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖。

圖3 變送器軟件模塊主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中對(duì)小巧型高性價(jià)比智能變送器的需求，給出了一種利用ADuCM360與XTR115構(gòu)成的智能壓力變送器電路設(shè)計(jì)方法。經(jīng)實(shí)測(cè)表明采用該方案制成的壓力變送器精度可達(dá)0．1%F．S，量程比為10∶1，溫度影響量小于0．1%/10℃．該方法采用高集成度單芯片方案代替了多芯片設(shè)計(jì)，大大提高了電路板模塊的集成度，縮小了電路板體積，同時(shí)又具有低價(jià)格、智能化、高性價(jià)比等特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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[5]昝勇，羅永紅，王沛瑩．XTR115電流環(huán)電路原理及應(yīng)用．電子設(shè)計(jì)工程，2011，19(8)：190-191．

作者簡(jiǎn)介：周光兵(1980-)，主要從事工業(yè)自動(dòng)化儀表與測(cè)控系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作。E-mail：jun．luo@analogsystems．com．cn

羅軍(1976-)，工程師，主要從事工業(yè)自動(dòng)化儀表與測(cè)控系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作。E-mail：jun．luo@analogsystems．com．cn