MPXM2010的壓力測(cè)控系統(tǒng)及其精度改進(jìn)
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摘 要：壓力測(cè)控系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用中常見(jiàn)的應(yīng)用模塊之一，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各種測(cè)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(shè)計(jì)的壓力測(cè)控系統(tǒng)，并在硬件成本幾乎不增加的情況下，通過(guò)搭配簡(jiǎn)單的模擬電路和軟件上的編程，增加系統(tǒng)測(cè)量精度。文中對(duì)精度改進(jìn)前后的系統(tǒng)做了數(shù)值計(jì)算上的比較，從具體數(shù)值上說(shuō)明系統(tǒng)精度有明顯的提高。文中介紹的方法還可應(yīng)用于A／D轉(zhuǎn)換的其他應(yīng)用環(huán)境，對(duì)降低系統(tǒng)成本大有裨益。
關(guān)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(guān)系。這種傳感器是一塊單片集成電路，集成有壓力應(yīng)變儀及膜阻網(wǎng)絡(luò)，并帶有激光式微調(diào)模塊進(jìn)行溫度補(bǔ)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(jié)合到一起可組成一套實(shí)用的低成本壓力測(cè)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(huì)使成本大大增加。通過(guò)硬件搭配和軟件上的編程可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，即不增加硬件開(kāi)銷而且可以提高產(chǎn)品性能。
1 壓力傳感器模塊設(shè)計(jì)
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(guān)系。這種傳感器是一塊單片集成電路，集成有壓力應(yīng)變儀及膜阻網(wǎng)絡(luò)，并帶有激光式微調(diào)模塊進(jìn)行溫度補(bǔ)償和偏移校正。
MPXM2010特點(diǎn)如下：
◇壓力測(cè)量范圍為O～10 kPa，精度可達(dá)士O．01 kPa；
◇在O～85℃之間具有溫度補(bǔ)償功能；
◇輸出信號(hào)與壓力的線性關(guān)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(hào)比較弱，需要另加1片MOC2A60，將小信號(hào)放大，直流變?yōu)榻涣鳌＿@樣就可以直接控制電機(jī)切斷或是接通電源。在調(diào)試模塊時(shí)，將各部分分離開(kāi)來(lái)便于調(diào)試。運(yùn)放采用MC33179，再配接一些電阻，就可以把壓力傳感器的信號(hào)輸出，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)阻值來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的大小。圖3和圖4是壓力傳感器模塊設(shè)計(jì)的原理圖和PCB板圖。
2.1 直聯(lián)式壓力測(cè)控系統(tǒng)
通常情況下，使用68HC908QT4的A／D模塊即可完成設(shè)計(jì)，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(cè)控系統(tǒng)的框圖。
微控制器68HC908QT4特點(diǎn)如下：
◇4 KB Flash存儲(chǔ)器、128 B的RAM存儲(chǔ)器；
◇4路8位A／D轉(zhuǎn)換器、16位PWM模塊；
◇價(jià)格便宜，批量1000片以上每片的價(jià)格可降至1美元以下。
MPXM2010測(cè)量范圍為0～10 kPa，將其輸出電壓信號(hào)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(gè)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(shí)可以提升精度，但要增加硬件的開(kāi)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(jìn)后的壓力測(cè)控系統(tǒng)
誤差產(chǎn)生的原因就是在A／D處，將小數(shù)點(diǎn)后的部分舍去，比如176．51 bit會(huì)當(dāng)作176 bit來(lái)處理。解決問(wèn)題也應(yīng)該從這里人手，把誤差縮小。
誤差的引出可以用D／A來(lái)解決，把A／D讀進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)再用D／A處理一次送出來(lái)，和原來(lái)的數(shù)據(jù)做一次減法就可以得到。誤差沒(méi)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(jìn)行A／D變換，MCU得到結(jié)果后縮小相同的倍數(shù)，與原A／D變換結(jié)果相加，便是更精確的結(jié)果。圖6中，整個(gè)系統(tǒng)可分為壓力傳感器模塊、模擬部分、單片機(jī)部分和輸出電路部分，精度提高的關(guān)鍵在模擬部分的設(shè)計(jì)．如圖7所示。假設(shè)放大器G的放大倍數(shù)為10。A／D的性能本身并沒(méi)有提升，精度仍為R=19．61 mV／bit，這個(gè)值也就是極限值。放大10倍后，原來(lái)的最大誤差19．6l mV／bit被擴(kuò)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(shí)又會(huì)將其除以lO恢復(fù)，從整體上來(lái)看就好像精度R除以10了一樣，變?yōu)?/SPAN>1．961 mV／bit。
例如：初始A／D變換的誤差為10 mV，經(jīng)過(guò)放大后變?yōu)?/SPAN>100 mV，此時(shí)再經(jīng)過(guò)A／D變換，第二次遺留的誤差為100 mV一19．61 mV／bit5 bit=1．95 mV，再除以10后變?yōu)?/SPAN>0．195 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(guò)高沒(méi)有實(shí)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(jì)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(jié)語(yǔ)
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)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(yīng)的簡(jiǎn)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(jìn)行改進(jìn)再創(chuàng)造，往往能得到事半功倍的效果。
評(píng)論