MSP430单片机的数字式压力表的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文基于MSP430单片机的数字式压力表的设计与实现姓名：艾玲申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：王建辉20040201查!查兰翌兰竺笙圭坠基于M S P 4 3 0 单片机的数字式压力表的设计与实现摘要测量仪器仪表包括压力测量仪器的总的发展趋势是高性能、数字化、集成化、智能化、网络化。电池供电的数字式压力表的设计是为了满足市场对电池供电、长寿命、低功耗、低成本数字式、耐震压力表的需求，具有较为广阔的市场前景。本文介绍的是电池供电的数字压力表的开发工作。首先，文章对压力测量和数字式压力表的发展现状和发展趋势作了简单的综述，然后，文章对数字式压力表的总体设计、各模块的工作原理和软硬件实现、汇编语言程序软件设计进行了分述。数字式压力表的总体设计是围绕低功耗、低成本展开的。为降低功耗，无论是硬件还是软件设计上，都将低功耗设计思想贯穿始终。在硬件选择方面，选择M S P 4 3 0 系列超低功耗单片机、低功耗放大器、液晶显示器、采用低压差线性电压稳压器降低工作电压、选择较高内阻的压力传感器；在软件方面，采用间歇式工作模式，非采样期间只有显示器、稳压器处于活动状态；在保证性能要求的情况下缩短特殊A D 转换的时间等一系列措施，有效地将低了系统的能量消耗，从而使整个系统在单个锂电池供电的情况下，可以连续工作3 年以上。为了降低整个系统的成本，在能够满足性能要求的前提下，尽量选择低成本元器件，简化系统设计；采用无电位器设计，降低成本，提高可靠性，在总体设计中选择了集成于单片机内部的S l o p eA D 转换器；在软件设计上，采用多点校准技术和线性插值方法，降低了对传感器的线性的要求，扩大了可选传感器的范围，从而降低了传感器的成本和整个系统的成本，提高了产品的竞争力。数字式压力表各个模块的软硬件设计和实现部分，较为详细具体地介绍了M S P 4 3 0 系列单片机内部模块包括基本时钟模块、T i m c r-A、C o m p a r a t o rA 以及除M S P 4 3 0 系列单片机外的主要外围模块包括低压差线性电压稳压器、外部存储器X 2 5 0 4 3，液晶显示器等各个模块的功能、工作原理、应用方法、相互之间的接口关系以及软件实现的方式等。软件设计采用模块化设计并贯穿低功耗设计思想，介绍了各个主要模块的程序流程并且给出了部分汇编程序代码。关键词微功耗M S P 4 3 0 单片机数字压力表多点校准技术东北大学硕士学位论文A B S T R A C TD e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fD i g i t a lP r e s s u r eG a u g eB a s e do nM S P 4 30M i c r o c o n t r o l l e rA BS T R A C TT h et r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fi n s t r u m e n t a t i o n，i n c l u d i n gt h ep r e s s u r em e a s u r i n ge q u i p m e n t，i sb e t t e rp e r f o r m a n c e，d i g i t i z e d，i n t e g r a t e d，i n t e l l i g e n ta n dn e t w o r kc o n n e c tc a p a b l e T od e s i g na n dp r o d u c eab a t t e r yp o w e r e dd i g i t a lp r e s s u r eg a u g ei st om e e tt h ed e m a n do ft h em a r k e to nal o n g l i f e，b a t t e r yp o w e r e d，l o w c o s t，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dv i b r a t i o n r e s i s t a n tp r e s s u r eg a u g e T h ep r o d u c th a sab r o a dp r o s p e c to nt h em a r k e t I nt h i sp a p e r,t h ed e v e l o p m e n to fab a t t e r yp o w e r e dd i g i t a lp r e s s u r eg a u g ei sp r e s e n t e d F i r s t，as u m m a r yo ft h ec u r r e n ts t a t u sa n dt r e n do ft h ep r e s s u r em e a s u r e m e n ti sg i v e n，a n dt h e nd e t a i l e di n f o r m a t i o na b o u tt h eo v e r a l ls y s t e md e s i g n，f u n c t i o na n dp r i n c i p l eo f d i f f e r e n tm o d u l e sa n dt h es o f t w a r ed e s i g ni sp r o v i d e dr e s p e c t i v e l y H o wt oc o n t r o lt h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dc o s to ft h ed i g i t a lp r e s s u r eg a u g ei st h em a i nc o n s i d e r a t i o no f t h ed e s i g n T h eg o a li sf u l f i l l e dt h r o u 曲u s i n gd e s i g nt e c h n i q u ei nb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e W i mr e g a r d st ot h eh a r d w a r es e l e c t i o n M S P 4 3 0s e r i e su l t r al o wp o w e rm i c r o c o n t r o l l e r，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na m p l i f i e ra n dL C Dm o d u l e，h i g hr e s i s t a n c ep r e s s u r es e n s o ra r ec h o s e nt ob u i l dt h es y s t e m，a n dal o wd r o p o u tl i n e a rv o l t a g er e g u l a t o ri sc h o s e nt ol o w e rt h ev o l t a g es u p p l yo ft h ew h o l es y s t e m A sf o rt h es o f t w a r ed e s i g n，u s i n go fi n t e r m i s s i v ew o r k i n gm o d e(D u r i n gt h en o n s a m p l i n gp e r i o do n l yt h eL C Dm o d u l ea n dt h ev o l t a g er e g u l a t o ra r ea c t i v e，t h em i c r o c o n t r o l l e ra n dt h ee x t e r n a lm e m o r ym o d u l ea r ew o r k i n gi nl o wp o w e rm o d e t h ep o w e rs u p p l yo ft h es e n s o ra n da m p l i f i e ri sc u to f f)，s h o r t e n i n gt h es p e c i a ls l o p eA Dc o n v e r s i o nt i m ea r es o m eo ft h em e a s u r e sa p p l i e dt om i n i m i z et h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h es y s t e m T h eg a u g ec a no p e r a t ec o n t i n u o u s l ya tl e a s t3y e a r sw i t h o u tc h a n g i n gt h el i t h i u mb a t t e r y A tt h es a m et i m e，t ol o w e rt h et o t a lc o s tw h i l em e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m，a n dm a k et h ep r o d u c tm o r ec o m p e t i t i v e，f o l l o w i n gm e a s u r e sa r et a k e n：c h o o s i n gl o wc o s tc o m p o n e n t sb ya l lm e a n s，u s i n gt h es l o p eA Dc o n v e r t e ri n t e g r a t e di nt h em i c r o c o n t r o l l e rt os i m p l i f yt h ed e s i g n，i n t r o d u c i n gam u l t i-p o i n tc a l i b r a t i o na n dl i n e a ri n t e r p o l a t i o nt e c h n i q u et ol e s s e nt h el i n e a r i t ya n du n i f o r m i t yr e q u i r e m e n to ft h ep r e s s u r es e n s o r，t h u sw i d e nt h es e l e c t i o nr a n g eo ft h ep r e s s u r es e n s o r N o to n l yt h eN oT n 东北大学硕士学位论文A B S T R A C Tt r i mp o t e n t i o m e t e rd e s i g nr e d u c e st h ec o s to ft h es y s t e m，b u ta l s oe n h a l i c et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m D e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nd e t a i l so ft h ev a r i o u sm o d u l e so ft h ed i g i t a lp r e s s u r eg a u g ea l ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r,i n c l u d i n gM S P 4 3 0s e r i e sm i c r o c o n t r o l l e r，b a s i cc l o c km o d u l e，T i m e r _ A，C o m p a r a t o r _ A，l o wd r o p o u tl i n e a lv o l t a g er e g u l a t o r,e x t e r n a lm e m o r ym o d u l eX 2 5 0 4 3，L C Dm o d u l e，e t c T h ef u n c t i o n，p r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no ft h e s em o d u l e sa n di n t e r f a c e sb e t w e e nt h e s em o d u l e sa l ee x p l a i n e d M o d u l a r i z a t i o nd e s i g na n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o nc o n s i d e r a t i o na r ea p p l i e do ns o a l ed e s i g n F l o wc h a r ta n ds o m ea s s e m b l yl a n g u a g es o u r c ec o d eo f t h em a i nm o d u l e sa r ep r o v i d e d K e yw o r d sU l t r a ll o wp o w e rc o n s u m p t i o nM S P 4 3 0M i e r o c o n t r o l l e rD i g i t a lp r e s s u r eg a u g eM t d t i-p o i n tc a l i b r a t i o nt e c h n i q u eI V 东北大学硕士学位论文声明声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人签名：艾多拿日期：2 D D 弘2 2 0东北大学硕士学位论文第一章概述第一章概述1 1 压力与压力测量垂直均匀地作用于单位面积上的力称为压力。压力可以分为绝对压力和相对压力，绝对压力一般是指流体的实际压力，相对压力是指一个压力相对于另一个压力之差；一般来说，把当时当地的大气压为参考压力，如果绝对压力大于这个参考压力，那么其相对压力称为表压(g a u g ep r e s s u r e)；如果绝对压力小于这个参考压力，那么其相对压力称为真空度或负压。由于应用的领域不同，表示压力大小的单位很多，在国际单位制中，压力的单位是帕斯卡(P aN m 2)；在英制单位中一般用p s i(p o u n d sp e rs q u a r ei n c hl b f i n 2)来表示；在工程上经常用工程大气压为单位(k g f c m 2)：还有毫米水柱(m n f f l 2 0)、毫米汞柱(m m H g)、标准大气压(a r m)、巴(b a r)、毫巴(m b a r)等。压力是重要的热工参数之一，各种气体、液体的压力测量在生产生活、工业现场、科学实验等领域有着广泛的应用。压力测量的需要和应用几乎无处不在，可以说我们日常生活的每一天都离不开压力测量，例如凡是在有气动、液压应用的领域，都必然要进行压力测量；各种工业现场的过程控制和自动化也都离不开压力测量和控制；同样，在与我们生活密切相关的领域，像汽车、轮船、飞机这些运输工具，以至于我们关心的医疗、气象、制冷、空调等都有压力测量的踪影。其它一些测量还可以转换为压力测量，例如储油罐的液位，油量就可以通过测量储油罐底部的压力，经过计算得出。压力测量仪表是用来测量气体或液体压力的工业自动化仪表，又称压力表或压力计。压力表可以指示、记录压力值，并可附加报警或控制装置。1 6 4 3 年，意大利人托里拆利首先测定标准的大气压力值为7 6 0 毫米汞柱，奠定了液柱式压力测量仪表的基础。1 8 4 7 年，法国人波登(E u g e n eB o u r d o n)制成波登管压力表，由于结构简单、实用，很快在工业中获得广泛应用，一直是常用的压力测量仪表【1J。二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接点压力表，从而解决了压力测量值的远距离传送和压力的报警、控制等问题。随着科技的发展，压力测量的方法和仪器也在不断推陈出新，从测量原理的角度来分类，主要可分为液柱式、弹性式、负荷式、电子测量式等。液柱式压力测量仪表常称为液柱式压力计，它是以一定高度的液柱所产生的压力，与被测压力相平衡的原理测量压力的。大多是一根直的或弯成u 形的玻璃管，其中充以工作液体。常用的工作液体为蒸馏水、水银和酒精。因玻璃管强度查些查芏堡主芏堡垒查苎二主垫堡不高，并受读数限制，因此所测压力一般不超过0-3 兆帕。液柱式压力计灵敏度高，因此主要用作实验室中的低压基准仪表，以校验工作用压力测量仪表。由于工作液体的重度在环境温度、重力加速度改变时会发生变化，对测量的结果常需要进行温度和重力加速度等方面的修正。弹性式压力测量仪表是利用各种不同形状的弹性元件，在压力下产生变形的原理制成的压力测量仪表。弹性式压力测量仪表按采用的弹性元件不同，可分为弹簧管压力表、膜片压力表、膜盒压力表和波纹管压力表等；按功能不同分为指示式压力表、电接点压力表和远传压力表等。这类仪表的特点是结构简单，结实耐用，测量范围宽，是压力测量仪表中应用最多的一种。负荷式压力测量仪表常称为负荷式压力计，它是直接按压力的定义制作的，常见的有活塞式压力计、浮球式压力计和钟罩式压力计。由于活塞和砝码均可精确加工和测量，因此这类压力计的误差很小，可以达到0 0 0 2，主要作为压力基准仪表使用，测量范围从数十P a 至2 5 0 0 M P a【。”。电子测量式压力仪表主要有压力传感器、压力变送器或数字式压力表。电子测量式压力仪表核心元件是压力传感器，它能感受被测压力量并按照一定规律转换成电信号输出。当输出为规定的标准信号时(4 2 0 m A 直流电流、1 5 V 直流电压)，则变为压力变送器。压力传感器加上信号处理器和数字显示器即成为数字压力表。若再增加控制部件和记录装置，则可适合于自动控制、数据采集、数据处理和记录打印一J。压力传感器种类繁多，根据其原理可分为电位器式、应变式、压阻式、电感式、霍尔式、电容式、压电式、振动式等等。压力传感器的精确度可达0 0 1 级，测量范围从数十P a 至7 0 0M P a 不等。1 2 压力测量的发展现状和发展趋势由于压力测量的应用非常广泛，因此压力测量的需求也非常多样化，压力测量的发展也就是为了满足这些多样化的需求。抛开校准用压力标准仪表，在工业现场和科学试验中应用最多的还是弹性式和电子测量式压力仪表。弹性式压力测量仪表由于发展多年，应用广泛，技术成熟，但发展空间较小，而随着对测量自动化程度要求的提高，电子测量式压力仪表成为压力测量的主流，发展非常迅速，主要体现在传感器技术和二次仪表技术的发展。传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。很多新材料、新技术、新方法应用在压力传感器的开发研制中，其中光导纤维、陶瓷材料、单晶硅、多晶硅、碳化硅、蓝宝石、金刚石等材料得到广泛的应用，在半导体集成电路制造中应用的微机械加工东北大学硕士学位论文第一章概述技术，例如氧化、光刻、扩散、沉积、各向异性腐蚀及蒸镀、溅射薄膜等 6 1 乙“，都已引进到传感器制造过程中。以M E M S(M i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m 微电子机械系统)技术基础的传感器已逐步实用化，这是今后发展的重点之一。根据应用场合的不同，压力传感器向适应不同的应用条件发展。为了测量高温介质或在高温下工作有专门的高温压力传感器，美国K u l i t eS e m i c o n d u c t o rP r o d u c t s，I n c 公司研发的以S I C 材料为基底的，应用S i l i c o n O n I n s u l a t o r 技术(一种硅压阻部分与基底材料绝缘的技术)和无引线设计(L e a d l e s sS e n s o rD e s i g n)，使压力传感器可以工作在6 0 0，可以应用在航空航天等需要在高温下测量压力的领域 2 6,2 7 1。德国I M E S 公司开发了一种H T T 0 1 型传感器，具有良好的热稳定性，耐热冲击，耐循环载荷，耐热可达1 7 0 0 的薄膜应变式传感器，主要用于往复式压缩机、汽油机、柴油机活塞气缸、高压燃料系统的压力监测【28 1。为了测量快速变化的动态压力，可以使用高动态特性传感器，压电式传感器体积小，结构简单，不需外加电源，灵敏度和响应频率高，适用于动态压力的测量，广泛地应用于空气动力学、爆炸力学、发动机内部燃烧压力的测量等等。其测量范围可从7 0 0 p a 到0 7 0 M p a 精确度可达0 1。日本横河公司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工，制成全硅谐振式压力传感器。核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个谐振梁结成，两个谐振梁的频差对应不同的压力，用频率差的方法测压力，可消除环境温度等因素带来的误差。当环境温度变化时，两个谐振梁频率和幅度变化相同，将两个频率取差后，其相同变化量就能够相互抵消。其测量最高精度可达0 0 1 F S。光导纤维压力传感器利用光波传导压力信息，不受电磁干扰，电气绝缘好，耐腐蚀，无电火花，可以在高压、易燃易爆的环境中测量。它灵敏度高、体积小、可靠性好，可插入狭窄的空间是进行测量，因而得到重视，并且得到迅速发展。为了适合在狭小的空间内使用，有小型传感器，美国M i c r o nI n s t r u m e n t s 生产的M P l 0 0、M P l 0 1 型压力变送器，直径不到l m m，可以在非常狭小的空间内使用。为了测量粘稠介质，有专门的齐平膜传感器；为了适应量程的不同要求，超低压力(测量范围2 5 P a)和超高压力(测量范围7 0 0 M P a)传感器；当然还有耐腐蚀压力传感器，多相流传感器等等。除了压力传感器以外，压力二次仪表的发展同样非常迅速，这里所说的二次仪表，是指除敏感元件以外的信号放大、转换、显示、传输功能的部分，事实上，有些压力测量装景的敏感元件和二次仪表是集成为一体的。二次仪表的发展方向主要表现在标准化、数字化、集成化、智能化、网络化等方面。(1)标准化标准化是指输出信号标准化，一般压力传感器的输出都很小，很可能还存在3 东北大学硕士学位论文第一章概述输出的非线性，为了使得传感器的输出能够方便的用于数据显示和采集，就需要有信号调理电路，将传感器的输出转变为适合工业现场使用，组成复杂的测量控制系统的标准信号，常用的信号有4 2 0 m A、O-1 0 m A、0-5 V、1-5 V、0-1 0 V 等，这样的输出标准信号的压力测量装置一般称为压力变送器，压力变送器使用很方便，由于信号是标准化的，因此在设计采集和控制系统时就不必考虑压力传感器的激励模式、信号形式、输出范围、非线性等，而直接将其看成一个标准的模块，从而简化了系统的设计。(2)数字化除了输出信号的标准化，还有一种新的趋势，就是输出朝数字化的方向发展，也就是说，输出不再是模拟量了，而是直接数字显示或数字量输出，压力传感器模块中不仅要包含放大电路，还要包含A i D 转换和微处理器。这样就可以通过某种通讯协议，将数字化的压力信号传送到主控计算机，这种通过现场总线将各种数字换输出的传感器连接在一起的模式，是当今测量控制系统的一个重要发展方向。(3)集成化、智能化由于传感器与微控制器技术的进步。压力测量系统的集成化、智能化水准不断提高。集成、智能传感器不是一个简单的传感器，而是将传感器、信号调理电路、微控制器和其它辅助电路元件同时集成在块芯片上，有的甚至将多种敏感元件集成在一个芯片上，使之具有自诊断、自校准功能、自动温度补偿、数据存取、网络通信甚至多参数测量的功能，这样它可降低成本、增加产量，例如，美国L U C A S、N O V A S E N S O R 公司开发的血压传感器，每星期能生产1 万只。又如，美国H O N E Y W E L L 公司S T 3 0 0 0 型智能传感器，芯片尺寸才有3 x 4 x 2 m m，采用半导体工艺，在同一芯片上制成C P U、E P R O M、静压、压差、温度等三种敏感元件，形成超大规模集成化的高级智能传感器【l”。(4)网络化为了组成多通道测量控制系统，压力测量模块的朝网络化的方向发展也是个非常突出表现，随着现场总线的问世，测量控制系统的发展翻开了新的一页，目前现场总线已成为全球自动化技术的热点，现场总线是用于现场智能化仪表与控制室之间的一种开放、全数字化、双向、多站的通信系统，现场总线使得测量控制系统的组成更为灵活，由于总线传输为数字信号，在传输中没有信号损失，便于组成分散式测量控制系统。当前具有姒R T、P r o f i b u s、c 州、工业以太网等总线传输功能的压力测量模块也已经有了较为广泛的应用 6-1 4】。1 3 项目的研发背景在与一些石油化工企业接触中，发现在这些企业使用大量的弹簧管指针式压J 东北欠学硕士学位论文第一辛概述力表，但是在一些振动较大的管路上，这些指针式压力表经常损坏，虽然指针式压力表价格相对较低，但是振动造成测量的不准确和经常损坏，使得压力表需要频繁地更换，修理量和随后的校准工作量很大，投入的人力和时间也很可观，运行维护成本很高。能否有种适应现场应用条件，价格又较为合理的替代指针式压力表的产品呢?采用压力传感器、变送器，数字式的压力表的模式，可以从根本上解决由于普通指针式压力表的机械零件多，耐震性差，可靠性差的问题。但是，是不是所有的数字式压力表都能适应现场的要求呢?从市场上能够见到的数字显示压力表来看，不论是采用变送器、显示器分体式设计，或一体化的数字式压力表，大部分需要外部提供直流2 4 V 或交流2 2 0 V电源，这在现场无法提供或者不便提供电源的情况时，给使用带来困难。采用电池供电的压力表相对来说较少，而且采用电池供电的压力表，一般连续工作时间只有数千小时，为了延长电池使用时间，有的压力表有电源开关，或无信号定时关机功能，重新进入测量状态般需要人为按键或打开开关。这种压力表在安装到距离地面较高等不易控制开关或按钮的地方时，使用也很不方便。更为重要的是市场上的数字式压力表，无论是国产还是进口产品，价格都很高，般是普通压力表的几十倍。从上面的分析可以看出，有些工业现场需要一种能够克服上述缺点的，替代指针式压力表的较低成本的产品。这就是数字压力表开发项目的目标和出发点。1 4 本文所做的工作本文介绍的是开发型号为D P M l 0 0，单电池供电的一体式数字压力表项目所做的工作。第章简述了压力测量的发展历史，压力测量在生产生活中的重要作用，压力测量仪器的分类及各自的特点，举例说明了压力测量仪器的发展现状，分析了压力测量仪器的主要发展趋势和方向。第二章从分析项目的要求开始，介绍了以低功耗和低成本为核心设计思想的数字压力表的总体方案设计，较为详细地解释了间歇式工作的低功耗思想设计的应用，介绍了系统的组成和工作原理，S l o p eA D 的设计及工作原理的分析，阐述了多点校准技术和线性插值技术在数字压力表设计中的应用，以及这些技术的应用对降低成本作用。第三章主要介绍系统的硬件设计，介绍了主要硬件的选型及其主要特点，信号调理与A D 转换电路的设计，低压差线性电压稳压器的电路设计，单片机接1 2电路的设计，电路总体设计以及数字压力表的外观壳体设计等。同时介绍了在硬件的设计过程中如何结合总体设计和软件设计降低成本，提高可靠性。查些垄芏翌主兰堡垒查篁二主垫些第四章介绍数字压力表的各主要模块功能设计及实现，详细地介绍了在数字压力表设计中应用的各个模块的功能和应用方法，涉及到各个模块的功能和工作原理，各种控制寄存器的设定，模块之间的关系和协作方式等。包括基本时钟模块的应用，低功耗模式的应用，D C O 频率调节的实现，E 2 P R O M 存储器X 2 5 0 4 3的应用，T i m e rA 的应用，(C o m p a r a t o rA)的应用，数字I O 端口的应用等。第五章介绍系统软件的总体设计和主要子程序模块，程序设计采用汇编语苦，并将低功耗设计思想融入其中，介绍的程序模块包括：系统初始化程序，程序的主循环框架，校准程序，L C D 液晶显示程序，放电计时子程序，等待延时子程序等，并分别给出了程序的设计流程图和部分程序源代码。结束语总结了数字压力表的设计，介绍了D P M l 0 0 数字压力表的使用现状，指出了未来的改进和发展方向。东北大学硕士学位论交第二章数字式压力表总体设计第二章数字式压力表总体设计2 1 项目的总体目标设计一种一体式数字压力表，采用压力传感器、电池供电、液晶数字显示、不更换电池可持续工作两年以上，达到1 级精度、耐震、高可靠性，工作温度范围1 0 0 C 5 0 0 c，较低的生产成本。2 2 低功耗设计思路系统设计的总体思路是围绕如何实现低功耗展开的。根据设计要求，假设传感器桥路电阻为5k O，假设用3 V 电池供电，电池容量为2 安时(A r t)，单纯计算传感器消耗的电流，则仪表可连续工作1 3 8 天左右，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压力，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。我们想到，对于数字化的测量系统，虽然数据采集、A D 转换的过程消耗的电流较大，但这一过程一般很快就能结束，一般在毫秒级甚至微秒级就可以完成，而且普通压力表对测量的动态特性要求不是很高；这样，就可以通过适当地选择采样周期，在一个采样周期内，迅速地测量压力，然后进入电流消耗较低的“休息”状态，那么就可以大幅度减小整个系统的电流消耗；这就像一个人每天只工作不到半小时，而其它时间全部休息样，当然能量消耗要小多了，不过前提是在“休息”状态要有很低的能量消耗。如图2 1，假设采样可以在Ts=1 0 m s 之内完成，采样时消耗的电流为Is=I m A，采样周期为T A=l s，非测量状态的电流消耗为Ib=o 0 4 m A，那么整个系统的平均电流消耗为：I 平均=(T s I s+(T A T s)I b)T A=I b+i T s(I s I b)(2 1)=0 0 4 9 6 l m A从计算我们可以看出，在寻较小时，采样时消耗的电流为k 对整个系统的平均电查!垄兰翌主兰垒垒查簦三兰墼!垄堡垄壅璺堡堡盐流影响并不很大，只要恰当地选择Ib、I。、T。、T A 就可以达到低功耗的目的。J乍_ T s休息一T 1图2 1f 司歇式工作示意图F i g 2 1I n t e r m i s s i v eW o r k i n gM o d e从公式中我们也可以看出，要想减小I+自，也就是说，要降低系统的功耗，可以从以下几个方面入手：减小In，减小休息时的电流消耗，方法是在“休息”状态还要工作的模块选用低功耗元器件；尽量减少在“休息”状态下还要工作的模块数量。减小Is 采样时进入工作的元件也要尽量降低功耗，选择电流消耗较小的型号。减小T。，减小工作时间，在能够完成采样工作的情况下，尽量快地结束采样工作。增大T A，加大采样周期，尽量多“休息”，当然，代价是系统的响应会变慢。2 3 方案总体设计有了总体设计思路，下一步进行的是方案总体设计，一般来说，数字压力表至少由如图2 2 的几个模块组成。图2 2 数字压力表基本模块F i g 2 2B a s i cM o d u l e so f aP r e s s u r eG a u g e_ 8 东北大学硕士学位论文第二章数字式压力表总体设立总体设计应该是全面考虑系统的总体目标，进行硬件初步选型，然后确定一个系统的草案，同时考虑软硬件实现的可行性。总体方案经过反复推敲，确定了以美国德州公司(T e x a sI n s t r u m e n t)推出的M S P 4 3 0 1 1 2 1 超低功耗单片机为数字压力表的核心，并选择低功耗和低成本的存储器、放大器、液晶显示器等元件(具体硬件选型详见3 1)，总体方案如下：系统的基本组成如图2 3，以单片机为核心，通过单片机来控制压力传感器和放大器的供电，传感器感受的压力信号转换为电信号后，经过放大器放大转换为适合于A D 转换的电压范围，然后通过4 3 0 单片机内部集成的A D 转换器进行A D转换，压力信号就转换为数字量了。然后单片机根据存储于外部存储器中的校准数据计算出测得的压力，计算出的压力值送液晶显示器显示。在校准过程中建立起测量值与标准压力的对应关系，校准数据保存于外部存储器中。电池经过稳压后，为长期工作的部件：单片机、显示器、存储器供电(存储器本来也可以通过单片机来控制其电源，因为存储器的存储功能只在上电或复位初始化以及校准时读取数据才需要，但是由于系统需要使用集成于存储器内的看门狗，因此需要长期工作，详见3 1 3)。采样图2,3 系统的基本组成F i g 2 3S c h e m a t i cD i a g r a mo f t h eS y s t e mD e s i g n软件的总体方案，如图2 4，系统上电初始化之后，首先切断传感器和放大器的供电，进入节电模式，然后根据设定的采样时间进入等待延时循环，经过一个采样周期后，计时结束，系统退出节电模式，打开传感器、放大器电源，开始测量，进行A D 转换，然后进行数据处理和计算，最后将结果送显示器显示，整个过程结束后，立刻进入节电模式，开始下一个采样周期循环，系统就这样周而复始地运作。东北大学硕士学位论文第二章数字式压力表总体设计2 4 斜率A D 转换的设计及分析在总体方案的初步设计后，必须对方案的可行性进行分析。为了降低成本和功耗，提高集成度，D P M l 0 0 数字式压力表采用了4 3 0 单片机内部集成的特殊A D转换器(S l o p eA D)，它是利用电容的充放电过程中，电压与充放电时间的规律来实现A D 转换的，但是电容的充放电与时间的关系是个非线性的，因此，如何利用它进行A J D 转换，并解决非线性的问题是数字式压力表总体设计的关键。S l o p e A D 测量电压信号的工作原理如图2 5，V。为被测电压，通过电阻R 1连接到比较器输入端C A 0。首先将P 1 0 置高电平，开始对C 1 进行充电，经过t 1时间后充电完成，比较器输入端C A 0 处的电平为U。然后将P 1 0 置低电平，C 1开始通过R D 进行放电，同时单片机内的计时器开始计时，当C A 0 处电平降低至一个软件内部设定的参考电平V c f 时(可软件设定，通常为O 2 5 V。)比较器触发内部计时器、计时结束，计得t v。循环上电初始化切断传感器、放大器供电，进入节电模式根据设定的采样时间计时磊到杀 竺计时到否?一退出节电模式，开传感器、放大器电源，开始测量A D 转换、计算结果液晶显示压力值