基于MSC1211系列微處理器實現小型化智能壓力傳感器的設計

在信息高速發展的今天，傳感器的智能化和集成化成為其發展的兩個重要方向，而傳感器智能化和集成化的程度主要取決于與之相結合的微處理器的性能。具有數據處理能力，能夠進行自動檢測、自動校準、自動誤差補償、自動抽樣、以及標度變換功能的智能壓力傳感器已成為國內外開發和研究的熱點。

ＭＳＣ１２１１是美國德州儀器公司（ＴＩ）新推出的一款非常靈活的高性能低功耗單片機，該器件內含２４位Σ－Δ Ａ／Ｄ轉換器和１６位Ｄ／Ａ轉換器。將ＭＳＣ１２１１單片機與硅壓阻式傳感器相結合便可以構成高集成度、高精確度、高可靠性的小型化智能壓力傳感器。

１、ＭＳＣ１２１１的功能特點

ＭＳＣ１２１１系列微處理器是高集成混合信號元器件，其內部結構如圖１所示。

１．１ＭＳＣ１２１１中的Ａ／Ｄ轉換器設置

ＭＳＣ１２１１的片上Ａ／Ｄ轉換器是高集成度、八通道差分和單通道２４位Σ－Δ Ａ／Ｄ轉換器，其內部包括儀表放大器、可編程增益放大器、多路轉換開關、數字濾波？１？、數據處理及信號校準電路。該芯片自帶高精度標準電壓，精度為０．２％？漂移為５×１０－６／℃？因此可以節省空間及降低器件成本，也可輸出該標準電壓或外接標準電壓，從而對外部傳感器輸出的０～１００ｍＶ微信號進行采集。在利用ＭＳＣ１２１１的片上Ａ／Ｄ進行采樣時，需要設置的寄存器為多路開關寄存器（ＡＤＭＵＸ）、模數轉換控制寄存器（ＡＤＣＯＮ０～ＡＤＣＯＮ３）、總和移位寄存器（Ｓｕｍｍａｔｉｏｎ／ＳｈｉｆｔＣｏｎｔｒｏｌ）以及ＡＤＣ偏移量設置寄存器（ＯＣＬ～ＯＣＨ）。ＡＤＣＯＮ０決定了內部放大器的增益和ＡＤ轉換的參考電壓等。ＡＤＣＯＮ１確定了ＡＤ轉換結果的極性、數字濾波方法和計算模式控制位。ＡＤＣＯＮ２～３用來設定ＡＤ轉換輸出數據的速率。總和移位寄存器用來設定一次輸出需要進行采樣的個數（如可以設置為進行８次ＡＤ轉換后取平均值），然后輸出數據。ＡＤＣ偏移量設置寄存器用來存放零點偏移，以便于進行校正。

１．２ＭＳＣ１２１１中的Ｄ／Ａ轉換器的設置

相對于Ａ／Ｄ轉換而言，Ｄ／Ａ轉換器的設置非常簡單。只需要配置４個Ｄ／Ａ轉換寄存器（ＤＡＣ０～ＤＡＣ３）和ＤＡＣ裝載控制寄存器。Ｄ／Ａ轉換寄存器控制著相應的電壓輸出方式和參考電壓。裝載控制寄存器用來控制Ｄ／Ａ數據的裝載方式。

１．３ＦＬＡＳＨ存儲器壓力信號可由微控制器設置為數字輸出模式或模擬輸出模式，這使得它可作為一個標準模擬裝置而不需要連接數字通訊線路；而作為一個智能型數字輸出傳感器時，它可以進行雙向通訊。該系統通過ＲＳ－２３２標準接口與上位機通信，如：向上位機（主機）發送測量到的數據，接收上位機發來的控制指令，進行參數設置及校準操作。與上位機的通訊指令采用不定長的ＡＳＣ代碼指令，用不同的信令頭（ＳＯＴ）代表不同的控制，并有ＣＲＣ糾錯以保證數據正確傳輸，信令有統一的結束碼（ＥＯＴ）。

ＭＳＣ１２１１系列微處理器的ＦＬＡＳＨ存儲器容量從４ｋＢ到３２ｋＢ，其中ＭＳＣ１２１１Ｙ５的存儲器容量高達３２ｋＢ。用戶在使用時可以通過硬件配置寄存器（ＨＣＲ０）的低３位來靈活配置程序存儲器和數據存儲器空間的大小？２？。而且不論ＦＬＡＳＨ存儲器被定義為程序存儲器還是數據存儲器，用戶都可以通過ＭＯＶＸ指令來對它進行讀寫。這就意味著用戶可以把全部空間做為程序存儲空間，并可將程序存儲空間當作數據存儲空間來使用。

２、在智能壓力傳感器中的應用

利用ＭＳＣ１２１１豐富的片內資源，可以設計出功能強大、高精確度、寬動態范圍的全集成數據采集系統。

２．１系統硬件設計

智能壓力傳感器的硬件系統構成如圖２所示。該系統由壓力傳感器、微處理器ＭＳＣ１２１１、溫度傳感器、電源模塊和輸出模塊等幾部分構成。其中電源模塊為系統提供３．３Ｖ模擬電壓（ＡＶＤＤ）和２．７Ｖ數字電壓（ＤＶＤＤ）。

圖３為ＭＳＣ１２１１與傳感器模塊及上位機的接口電路，本系統采用恒流源供電的硅壓阻式傳感器，其供電電源由ＭＳＣ１２１１提供，不需要外接電源。ＭＳＣ１２１１的多路復用電路可以提供差分信號輸入的各種組合？考慮到共模信號的大小、差分信號的大小、放大倍數、輸入信號頻率等因素，本設計對壓力信號采用差分信號輸入方式，選擇ＡＩＮ４作為差分輸入的正向輸入端？ＡＩＮ５作為負向輸入端，溫度傳感器信號采用單端信號輸入方式。

系統的工作過程：從壓力傳感器來的信號進入Ａ／Ｄ轉換器，其內部具有可編程增益放大器，可根據輸入信號的范圍自動設置增益放大倍數，Ａ／Ｄ轉換器對模擬信號數字化并進行數字濾波后，由ＣＰＵ根據從溫度芯片讀來的溫度信號，從ＦＡＬＳＨ存儲器中讀取零點和線性度校正系數后，再進行溫度補償和非線性補償，然后根據量程范圍進行量程轉換并將其送到Ｄ／Ａ轉換器，從而輸出相應的電壓值。

２．２系統軟件設計

系統軟件采用模塊化結構，其軟件模塊主要包括以下幾部分：（１）ＭＳＣ１２１１的初始化，包括單片機初始化、串口初始化、Ａ／Ｄ轉換器和Ｄ／Ａ轉換器的初始化。（２）Ａ／Ｄ轉換器的校準，包括各通道增益、零點漂移校正。（３）現場壓力和溫度數據的采集（４）壓力傳感器的零點校準。溫度漂移補償和非線性補償。（５）量程轉換，Ｄ／Ａ數據輸出。（６）實時壓力顯示。（７）串口中斷服務程序等。

在進行軟件設計時，要注意在Ａ／Ｄ轉換時，每次更改ＰＧＡ放大倍數時均需重新校準，設定特殊寄存器ＡＤＣＯＮ１的ＳＭ１～０位為００，即進入自動模式數字濾波。這樣隨著Ａ／Ｄ采樣次數的增加，數字濾波依次為快速轉換、Ｓｉｎｃ２、Ｓｉｎｃ３數字濾波，從而最大限度地提高轉換速度和轉換準確度。圖４為主程序和串口中斷通信服務程序流程圖。