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    摘 要：壓力測控系統(tǒng)是嵌入式應用中常見的應用模塊之一，被廣泛地應用于現(xiàn)代工業(yè)的各種測控系統(tǒng)中。本文介紹基于Freescale公司生產(chǎn)的壓力傳感器MPxM2010、微控制器68HC908QT4等低成本器件設計的壓力測控系統(tǒng)，并在硬件成本幾乎不增加的情況下，通過搭配簡單的模擬電路和軟件上的編程，增加系統(tǒng)測量精度。文中對精度改進前后的系統(tǒng)做了數(shù)值計算上的比較，從具體數(shù)值上說明系統(tǒng)精度有明顯的提高。文中介紹的方法還可應用于A／D轉(zhuǎn)換的其他應用環(huán)境，對降低系統(tǒng)成本大有裨益。

    關鍵詞：68HC908QT4 MPxM2010硅壓阻傳感器 A／D轉(zhuǎn)換精度提高

    引 言

    Freescale公司生產(chǎn)的MPXM2010器件是一種硅壓阻式壓力傳感器。MPXM20lO精度很高，輸出電壓與輸人的壓力具有良好的線性關系。這種傳感器是一塊單片集成電路，集成有壓力應變儀及膜阻網(wǎng)絡，并帶有激光式微調(diào)模塊進行溫度補償和偏移佼正微控制器68HC908QT4則是一款低端的8位微控制器，有4路8位的A／D轉(zhuǎn)換通道和16位的PWM模塊，可以用于A／D和D／A轉(zhuǎn)換。

    將兩種芯片結合到一起可組成一套實用的低成本壓力測控系統(tǒng)。美中不足的是它的精度低了一些，如果將A／D位數(shù)提高則會使成本大大增加。通過硬件搭配和軟件上的編程可以彌補這一缺點，即不增加硬件開銷而且可以提高產(chǎn)品性能。

    1 壓力傳感器模塊設計

    Freescale公司生產(chǎn)的MPXM2010器件是一種硅壓阻式壓力傳感器，其內(nèi)部原理如圖l所示。MPXM2010精度很高，輸出電壓與輸入的壓力具有良好的線性關系。這種傳感器是一塊單片集成電路，集成有壓力應變儀及膜阻網(wǎng)絡，并帶有激光式微調(diào)模塊進行溫度補償和偏移校正。

    MPXM2010特點如下：

    ◇壓力測量范圍為O~10 kPa，精度可達士O．01 kPa；

    ◇在O~85℃之間具有溫度補償功能；

    ◇輸出信號與壓力的線性關系良好；

    ◇傳感器接觸面可選擇是否帶引出管口；

    ◇有Tape＆Reel的易用封裝形式，具體樣圖如圖2所示。

    MPXM2010的輸出信號比較弱，需要另加1片MOC2A60，將小信號放大，直流變?yōu)榻涣?。這樣就可以直接控制電機切斷或是接通電源。在調(diào)試模塊時，將各部分分離開來便于調(diào)試。運放采用MC33179，再配接一些電阻，就可以把壓力傳感器的信號輸出，并且可以通過調(diào)節(jié)阻值來調(diào)節(jié)輸出信號的大小。圖3和圖4是壓力傳感器模塊設計的原理圖和PCB板圖。

    2 壓力測控系統(tǒng)設計及其精度改進

    2.1 直聯(lián)式壓力測控系統(tǒng)

    通常情況下，使用68HC908QT4的A／D模塊即可完成設計，只要把壓力傳感器模塊的輸出端接至68HC908QT4的A／D模塊輸入端即可。圖5給出了壓力測控系統(tǒng)的框圖。

    微控制器68HC908QT4特點如下：

    ◇4 KB Flash存儲器、128 B的RAM存儲器；

    ◇4路8位A／D轉(zhuǎn)換器、16位PWM模塊；

    ◇價格便宜，批量1000片以上每片的價格可降至1美元以下。

    MPXM2010測量范圍為0~10 kPa，將其輸出電壓信號限制在0~5 V，則其精度為：

    S=5 V／10 kPa=500 mV／kPa

    68HC908QT4的A／D為8位，電壓限制5 V，則其精度為：

    R=5 V／(20—1)bit≈19．61 mV／bit

    整個系統(tǒng)的壓力精度為：

    R／S=19．61／500 kPa／bit=0．039 22 kPa／bit

    如果要提高精度，將A／D升為10位，則精度為：

    R／S=O．03 922X(28—1)／(210—1)kPa／bit=0．009 776 kPa／bit

    A／D升為12位后，精度為：

    R／S=0．039 22×(28—1)／(212—1)kPa／bit=0．002 442 kPa／bit

    這樣做確實可以提升精度，但要增加硬件的開銷。利用68HC908QT4的PWM模塊作為D／A轉(zhuǎn)換器，可以巧妙地提高A／D變換的精度。

    2.2 改進后的壓力測控系統(tǒng)

    誤差產(chǎn)生的原因就是在A／D處，將小數(shù)點后的部分舍去，比如176．51 bit會當作176 bit來處理。解決問題也應該從這里人手，把誤差縮小。

    誤差的引出可以用D／A來解決，把A／D讀進來的數(shù)據(jù)再用D／A處理一次送出來，和原來的數(shù)據(jù)做一次減法就可以得到。誤差沒法直接再送回A／D，但可以將其放大后再送回，再使用68HC908QT4中的另一路A／D將放大后的誤差進行A／D變換，MCU得到結果后縮小相同的倍數(shù)，與原A／D變換結果相加，便是更精確的結果。圖6中，整個系統(tǒng)可分為壓力傳感器模塊、模擬部分、單片機部分和輸出電路部分，精度提高的關鍵在模擬部分的設計．如圖7所示。假設放大器G的放大倍數(shù)為10。A／D的性能本身并沒有提升，精度仍為R=19．61 mV／bit，這個值也就是極限值。放大10倍后，原來的最大誤差19．6l mV／bit被擴大為196．1 mV／bit，A／D處理的是放大后的數(shù)據(jù)，其能力就被放大了10倍。數(shù)據(jù)處理時又會將其除以lO恢復，從整體上來看就好像精度R除以10了一樣，變?yōu)?．961 mV／bit。

    例如：初始A／D變換的誤差為10 mV，經(jīng)過放大后變?yōu)?00 mV，此時再經(jīng)過A／D變換，第二次遺留的誤差為100 mV一19．61 mV／bit×5 bit=1．95 mV，再除以10后變?yōu)?．195 mV。誤差大大地減小了，其極限值就是原精度的十分之一。

    G的放大倍數(shù)可以自己調(diào)整，但要符合所選微處理器的性能以及電路本身的精度，選的過高沒有實際意義。

    圖7所示的電路中，Vm、D、Vc與圖6所示相同。其中D的計算值為：

    D=(Vm—Vc)×(R14／R13)[l+(R17／R16)]

    G的放大倍數(shù)為(R14／R13)[1+(R17／R16)]。

    結語

    在產(chǎn)品設計研發(fā)過程中，成本是很重要的因素。巧妙地利用微控制器內(nèi)的模塊，輔助以相應的簡單模擬電路，可以大大提高芯片的利用效率，并能提升系統(tǒng)性能。多利用手頭的東西進行改進再創(chuàng)造，往往能得到事半功倍的效果。