劉英男 綦聲波 吳學英

(中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100)

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海洋氣象觀測用低功耗智能型氣壓傳感器設計

劉英男 綦聲波 吳學英

(中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100)

針對當前氣壓傳感器功耗偏大、輸出數(shù)據(jù)單一、靈活性差等缺點，設計了一款低功耗、輸出方式靈活的智能型氣壓傳感器。以ATmega16L單片機為主控芯片，通過SPI總線讀取氣壓和溫度的原始測量值，計算得到精確大氣壓值；采用精細化的軟硬件省電設計方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗；通過跳線選擇數(shù)據(jù)輸出方式，增加了產(chǎn)品的靈活性。該傳感器具有高精度、高穩(wěn)定性、智能性、低功耗和便攜式等特點，可獨立使用，也可用于其他需要氣壓測量的設備中。

氣壓傳感器 氣壓測量 低功耗 單片機 智能接口 SPI總線 ATmega16L

0 引言

氣壓計是利用壓敏元件將待測氣壓轉換為容易檢測和傳輸?shù)碾娏骰螂妷盒盘?，再?jīng)過后續(xù)電路處理進行實時顯示的一種設備[1]。在傳統(tǒng)的氣壓測量領域，主要采用水銀氣壓計和無液氣壓計[2]。隨著數(shù)字化和微電子制造技術的發(fā)展，電路集成化程度高的數(shù)字氣壓計具有讀數(shù)更直觀、測量更準確的特點[3]，在儀器儀表、醫(yī)療衛(wèi)生、氣壓計等工業(yè)設備中有著廣泛的應用[4]。另外，氣壓也是海洋氣象觀測的重要要素之一，海洋觀測多采用蓄電池、太陽能等設備供電，因此要求儀器設備工作可靠、功耗低，以利于長期離岸工作。

目前市場上氣壓計的功耗和接口靈活性不盡人意[5]，為此，本文所述的氣壓傳感器針對海洋觀測進行綜合設計，考慮了低功耗和多種接口的特征。該傳感器采用帶有溫度補償?shù)腂MP085集成化MEMS芯片，以AVR低功耗微控制器作為主控芯片，通過精細化設計，實現(xiàn)了低功耗和多種接口輸出的統(tǒng)一，并通過對比性實驗驗證了設計的有效性。

1 系統(tǒng)總體設計

考慮到大氣壓的波動范圍及相關規(guī)范的要求，將本系統(tǒng)的性能指標定為500～1 100 hPa(1 hPa=100 Pa)，數(shù)字精度為0.2 hPa(25 ℃)、0.3 hPa(-40～70 ℃)，模擬精度為0.05%。考慮到絕大多數(shù)設備的集成要求，需要模擬和數(shù)字兩種輸出方式，其中模擬輸出采用0～5 V和0～2.5 V兩種方式，數(shù)字輸出采用串口方式。系統(tǒng)采用模塊化設計，其硬件架構如圖1所示。

圖1 氣壓計的硬件架構圖

系統(tǒng)的實現(xiàn)需微控制器具有UART、TWI和SPI接口，以及低功耗模式，綜合考慮選用了Atmel公司的ATmega16L作為主控MCU。該芯片具有16 kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，2.7～5.5 V的操作電壓，具有可編程串行UART和SPI串行接口。另外，該單片機還具有6種睡眠模式，能達到低功耗的要求。

該氣壓計顯示的是絕對氣壓值,因此應選取測量絕對氣壓的氣壓傳感器；同時為了簡化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求該氣壓傳感器應帶有溫度補償。為此，本設計選用了BOSCH公司的BMP085來測量大氣壓值。該傳感器的壓力測量范圍是300～1 100 hPa，溫度測量范圍為-40～85 ℃，通過I2C總線與微處理器通信[6]；絕對精度為±1 hPa，雖本身精度達不到指標要求，但經(jīng)過硬件篩選和軟件標定后，基本達到0.2 hPa的精度指標；且其功耗極低，標準模式下采樣一次的電流僅為5 μA，待機電流僅有0.1 μA[7]。

由于需實現(xiàn)通過輸出端子TRIG/RX和VOUT/TX(圖1)將大氣壓力對應的模擬和串口兩種數(shù)據(jù)輸出，并且考慮到低功耗特性，本設計選用DAC8552和MAX3221分別作為模擬輸出和串口輸出的轉換芯片。由于模擬輸出要求具有0～5 V和0～2.5 V兩種選擇，且串口要求輸出不同格式的數(shù)據(jù)，因此設計了用跳線來完成各種輸出方式的選擇。

考慮到海洋觀測設備電源的通用型，本傳感器電源端+PWR和-PWR(圖1)之間可輸入7～30 V的任意供電電壓，選用了具有低靜態(tài)電流的電源芯片LT3990和HT7833完成5 V和3.3 V的轉換。

2 低功耗設計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設計，需要從硬件和軟件兩個方面進行考慮。

2.1 硬件設計

2.1.1 電源芯片

本設計選用了超低靜態(tài)電流降壓型開關穩(wěn)壓器LT3990作為電源芯片，硬件電路如圖2所示。

圖2 LT3990硬件連接圖

LT3990電源芯片具有使能引腳EN，本設計將其連接到外接端子TRIG，以便需要時拉低該引腳，使其進入關斷模式，此時僅有0.7 A的關斷電流。另外該芯片的輸出電壓是由輸出引腳和FB引腳之間的電阻分壓器編程得到，根據(jù)如下公式選擇電阻，R1=R2×(UOUT/1.21-1)(如圖2標注)?？紤]到輸出電壓的精確度和低功耗的要求，本設計選用精度為1%且阻值較大的電阻，R1=1 MΩ，R2=316 kΩ，以降低靜態(tài)電流。

2.1.2 串口芯片

為了實現(xiàn)串口輸出和低功耗，選用MAX3221作為串口芯片，硬件電路如圖3所示。該芯片具有低待機電流1 μA和自動掉電功能，功耗極低。其有兩個引腳FORCEON和/FORCEOFF，電平的高低決定了驅動器的狀態(tài)。當FORCEON和/FORCEOFF都為高電平時，禁止自動掉電功能；當FORCEON為低電平且/FORCEOFF為高電平時，使能自動掉電功能。在這種工作方式中，若接收到一個有效信號，該器件會自動啟動；其他情況下，驅動器輸出端被禁止。硬件設計采用跳線來決定FORCEON的電平，以此來決定是否使能自動掉電功能。

圖3 MAX3221硬件連接圖

2.2 軟件設計

整個系統(tǒng)低功耗不僅需要硬件支持，還需要精細化的軟件設計。本傳感器選擇ATmega16L作為主控芯片，它采用了Harvard結構，具有獨立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行，CPU在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令，實現(xiàn)了指令的單時鐘周期運行[8]，這意味著同樣的工作可以在更短的時間內(nèi)完成。它有6種睡眠模式可供選擇[9]，考慮到睡眠模式下，定時器以及中斷系統(tǒng)需要繼續(xù)工作，以便喚醒單片機繼續(xù)工作，因此本傳感器選用了空閑模式作為MCU的睡眠方式，其在1 MHz的功耗僅為0.35 mA。

本傳感器的軟件設計采用模塊化設計方法和前后臺程序架構。前臺程序為中斷服務程序，后臺程序包括初始化程序和主程序[10]。中斷服務程序包括定時器、串口接收和發(fā)送中斷服務程序；初始化程序包括I/O引腳、參數(shù)、外部設備和中斷初始化。在主程序中啟動溫度和壓力轉換，讀取原始溫度、壓力值，并進行計算得到經(jīng)過溫度補償后的精確大氣壓值，最后將其送入DAC8552得到對應電壓值。

軟件設計采用了狀態(tài)機的模式，有4個狀態(tài)，分別是溫度采集、氣壓采集、計算轉換和睡眠狀態(tài)，具體的狀態(tài)轉換如圖4所示。每個狀態(tài)下都做相應的處理及運算，并將下一狀態(tài)值賦給State，進入睡眠狀態(tài)，使ATmega16L進入空閑模式，等待定時50 ms的Timer2中斷將其喚醒，以此達到降低功耗的目的。

圖4 狀態(tài)轉換圖

3 輸出方式

本系統(tǒng)對于氣壓計的輸出設計了兩種方式，一是串口輸出，二是電壓輸出，這兩種輸出方式可通過跳線進行選擇。

3.1 串口輸出方式

本設計采用RS-232串口通信方式實現(xiàn)對氣壓數(shù)據(jù)以及命令的讀入與輸出，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時觀測?？梢蕴峁┒喾N輸出數(shù)據(jù)格式，如ASCII碼、NMEA海洋格式等，跳線配置如表1所示。表1中，1表示跳線接通，0表示跳線斷開。當跳線A/B/C都接通時為連續(xù)ASCII碼輸出，數(shù)據(jù)格式的選擇與配置最終由軟件編程實現(xiàn)。

表1 輸出數(shù)據(jù)格式跳線配置表

①連續(xù)ASCII碼輸出格式，以hPa為單位輸出，輸出周期可通過命令在0.5～60 s內(nèi)任意設置。

②查詢ASCII碼輸出方式，當收到一個查詢指令Ma!時，氣壓計會立即發(fā)送當前的氣壓值，格式與連續(xù)ASCII碼格式一樣。查詢指令Ma!中“a”可以通過命令進行改變。這種方式適合于查詢輸出的場合。

③ NMEA海洋格式符合標準的海洋數(shù)據(jù)格式，適用于專業(yè)海洋數(shù)據(jù)格式的氣壓值輸出。其輸出數(shù)據(jù)格式如：$WIXDR,P,1.001 34,B,BARO*74，其中1.001 34是以bar(1bar = 0.1 MPa)為單位的氣壓值，74是校驗部分。

④ 軟件設置輸出方式，是根據(jù)EEPROM中的波特率、輸出速率、輸出數(shù)據(jù)格式等參數(shù)值來進行輸出，這主要為特殊用戶考慮。其參數(shù)值可以通過命令修改并存儲于EEPROM，上電后讀取EEPROM的參數(shù)便可按照用戶的要求進行氣壓值的輸出。

3.2 電壓輸出格式

系統(tǒng)通過跳線來選擇電壓輸出格式。跳線斷開時，為0～2.5 V電壓輸出；跳線接通時，為0～5 V輸出。當氣壓P范圍是500～1 100 hPa，輸出電壓U范圍是0～5 000 mV時，氣壓值與輸出電壓值的對應關系為：P=0.12U+ 500。為了提高分辨率和精確性，可以按實際需求縮小氣壓范圍。

4 實驗結果及分析

對氣壓計進行兩項測試，低功耗測試和數(shù)據(jù)測試。

①功耗測試，分為串口和電壓模式的功耗。分別將本設計的氣壓計SP-1和YOUNG公司的61302V進行比對測試，采用12 V開關電源進行供電，將萬用表串接于電源端，調到電流檔進行上電測試，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同模式功耗測試數(shù)據(jù)表

②輸出數(shù)據(jù)測試。常溫下，將SP-1和61302V均設置為串口模式，分別放入700 hPa/900 hPa/1 100 hPa 的恒壓箱進行測試，同時間記錄200組數(shù)據(jù)，求出平均值和方差。再將其均設置為電壓0～5 V輸出模式，上電測試，記錄數(shù)據(jù)，如表3所示。其理論電壓值的計算公式為U=(P-500)×5/600，其中P為理論氣壓值。

表3 61302V和SP-1的氣壓值測試表

從上述測試結果可以看出，對于功耗測試：串口模式下，SP-1比61302V的功耗低；反之，電壓模式下SP-1的功耗較大，與預期結果不符。經(jīng)分析：電壓模式下沒有將與串口相關的芯片置于掉電模式，導致電流偏大。

對于輸出數(shù)據(jù)測試：串口模式下，SP-1的平均值比61302V小，說明SP-1比61302V更準確，說明SP-1精度更高；SP-1的方差比61302V小，說明SP-1穩(wěn)定性更高。電壓模式下，SP-1與61302V精度相差細微，達到模擬精度0.05%的設計要求。該氣壓傳感器基本滿足設計要求。對于功耗方面，還需要進一步研究改進。

5 結束語

本文中的智能型氣壓傳感器，采用了帶有溫度補償?shù)腗EMS工藝氣壓芯片，通過芯片篩選和軟件標定實現(xiàn)了測量的精確性；通過跳線，用戶可以選擇多種輸出方式，提高了產(chǎn)品的靈活性；通過硬件和軟件相結合，實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗特性。該傳感器的上述特性，使其在海洋氣壓觀測領域具有廣闊的應用空間，同時也適用于任何對氣壓精度要求較高的戶外場合使用。

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Design of the Intelligent Air Pressure Sensor with Low Power Consumption for Marine Meteorological Observation

At present,the air pressure sensors features demerits of larger power consumption,unitary output data,and poor flexibility,etc.,thus the intelligent air pressure sensor featuring low power consumption and flexible output modes has been designed.With ATmega16L single chip computer as the main control chip,the raw measurements of temperature and air pressure are read through SPI bus; then accurate value of barometric pressure is calculated.The low power consumption is implemented by meticulous hardware and software power-saving design; the flexibility of products is reached through selecting output mode by jumpers.The sensor features high accuracy,high stability,intelligence,low power consumption and easy to carry,it can be used standalone or used in other measuring devices need to measure air pressure.

Air pressure sensor Aire pressure measurement Low power consumption Single chip machine Intelligent interface SPI bus ATmega16L

教育部新教師基金資助項目(編號：20130132120003)。

劉英男(1990-)，女，現(xiàn)為中國海洋大學控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事海洋智能儀器儀表方面的研究。

TP212+.6;TH812

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601024

修改稿收到日期：2015-01-30。