MSC1211在智能壓力傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：MSC1211是德州儀器公司（TI）新近推出的一款功能強(qiáng)大的帶２４位Σ－Δ A/D轉(zhuǎn)換和16位D／A轉(zhuǎn)換的微處理器。文中詳細(xì)介紹了MSC1211的特點(diǎn)和性能，給出了它在智能壓力傳感器系統(tǒng)上的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：傳感器；MSC1211；Σ－Δ A／D轉(zhuǎn)換器；D／A轉(zhuǎn)換器

在信息高速發(fā)展的今天，傳感器的智能化和集成化成為其發(fā)展的兩個(gè)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(jié)合的微處理器的性能。具有數(shù)據(jù)處理能力，能夠進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)誤差補(bǔ)償、自動(dòng)抽樣、以及標(biāo)度變換功能的智能壓力傳感器已成為國內(nèi)外開發(fā)和研究的熱點(diǎn)。

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(jī)，該器件內(nèi)含２４位Σ－Δ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和１６位Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器。將ＭＳＣ１２１１單片機(jī)與硅壓阻式傳感器相結(jié)合便可以構(gòu)成高集成度、高精確度、高可靠性的小型化智能壓力傳感器。

圖1

１ ＭＳＣ１２１１的功能特點(diǎn)

ＭＳＣ１２１１系列微處理器是高集成混合信號(hào)元器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示。

１．１ ＭＳＣ１２１１中的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器設(shè)置

ＭＳＣ１２１１的片上Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器是高集成度、八通道差分和單通道２４位Σ－Δ Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部包括儀表放大器、可編程增益放大器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、數(shù)字濾波?１?、數(shù)據(jù)處理及信號(hào)校準(zhǔn)電路。該芯片自帶高精度標(biāo)準(zhǔn)電壓，精度為０．２％?漂移為５×１０－６／℃?因此可以節(jié)省空間及降低器件成本，也可輸出該標(biāo)準(zhǔn)電壓或外接標(biāo)準(zhǔn)電壓，從而對(duì)外部傳感器輸出的０～１００ｍＶ微信號(hào)進(jìn)行采集。 在利用ＭＳＣ１２１１的片上Ａ／Ｄ進(jìn)行采樣時(shí)，需要設(shè)置的寄存器為多路開關(guān)寄存器（ＡＤＭＵＸ）、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制寄存器（ＡＤＣＯＮ０～ＡＤＣＯＮ３）、總和移位寄存器（Ｓｕｍｍａｔｉｏｎ／Ｓｈｉｆｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ）以及ＡＤＣ偏移量設(shè)置寄存器（ＯＣＬ～ＯＣＨ）。ＡＤＣＯＮ０決定了內(nèi)部放大器的增益和ＡＤ轉(zhuǎn)換的參考電壓等。ＡＤＣＯＮ１確定了ＡＤ轉(zhuǎn)換結(jié)果的極性、數(shù)字濾波方法和計(jì)算模式控制位。ＡＤＣＯＮ２～３用來設(shè)定ＡＤ轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)的速率?？偤鸵莆患拇嫫饔脕碓O(shè)定一次輸出需要進(jìn)行采樣的個(gè)數(shù)（如可以設(shè)置為進(jìn)行８次ＡＤ轉(zhuǎn)換后取平均值），然后輸出數(shù)據(jù)。ＡＤＣ偏移量設(shè)置寄存器用來存放零點(diǎn)偏移，以便于進(jìn)行校正。

１．２ ＭＳＣ１２１１中的Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器的設(shè)置

相對(duì)于Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換而言，Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器的設(shè)置非常簡單。只需要配置４個(gè)Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換寄存器（ＤＡＣ０～ＤＡＣ３）和ＤＡＣ裝載控制寄存器。Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換寄存器控制著相應(yīng)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(shù)據(jù)的裝載方式。

１．３ ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器 壓力信號(hào)可由微控制器設(shè)置為數(shù)字輸出模式或模擬輸出模式，這使得它可作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模擬裝置而不需要連接數(shù)字通訊線路；而作為一個(gè)智能型數(shù)字輸出傳感器時(shí)，它可以進(jìn)行雙向通訊。該系統(tǒng)通過ＲＳ－２３２標(biāo)準(zhǔn)接口與上位機(jī)通信，如：向上位機(jī)（主機(jī)）發(fā)送測(cè)量到的數(shù)據(jù)，接收上位機(jī)發(fā)來的控制指令，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及校準(zhǔn)操作。與上位機(jī)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(cuò)以保證數(shù)據(jù)正確傳輸，信令有統(tǒng)一的結(jié)束碼（ＥＯＴ）。

ＭＳＣ１２１１系列微處理器的ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器容量從４ｋＢ到３２ｋＢ，其中ＭＳＣ１２１１Ｙ５的存儲(chǔ)器容量高達(dá)３２ｋＢ。用戶在使用時(shí)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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的大小?２?。而且不論ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器被定義為程序存儲(chǔ)器還是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用戶都可以通過ＭＯＶＸ指令來對(duì)它進(jìn)行讀寫。這就意味著用戶可以把全部空間做為程序存儲(chǔ)空間，并可將程序存儲(chǔ)空間當(dāng)作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間來使用。

２ 在智能壓力傳感器中的應(yīng)用

利用ＭＳＣ１２１１豐富的片內(nèi)資源，可以設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大、高精確度、寬動(dòng)態(tài)范圍的全集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

２．１ 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能壓力傳感器的硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖２所示。該系統(tǒng)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(gòu)成。 其中電源模塊為系統(tǒng)提供３．３Ｖ模擬電壓（ＡＶＤＤ）和２．７Ｖ?jǐn)?shù)字電壓（ＤＶＤＤ）。

圖３為ＭＳＣ１２１１與傳感器模塊及上位機(jī)的接口電路，本系統(tǒng)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(fù)用電路可以提供差分信號(hào)輸入的各種組合?考慮到共模信號(hào)的大小、差分信號(hào)的大小、放大倍數(shù)、輸入信號(hào)頻率等因素，本設(shè)計(jì)對(duì)壓力信號(hào)采用差分信號(hào)輸入方式，選擇ＡＩＮ４作為差分輸入的正向輸入端? ＡＩＮ５作為負(fù)向輸入端，溫度傳感器信號(hào)采用單端信號(hào)輸入方式。

系統(tǒng)的工作過程：從壓力傳感器來的信號(hào)進(jìn)入Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部具有可編程增益放大器，可根據(jù)輸入信號(hào)的范圍自動(dòng)設(shè)置增益放大倍數(shù)，Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化并進(jìn)行數(shù)字濾波后，由ＣＰＵ根據(jù)從溫度芯片讀來的溫度信號(hào)，從ＦＡＬＳＨ存儲(chǔ)器中讀取零點(diǎn)和線性度校正系數(shù)后，再進(jìn)行溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償，然后根據(jù)量程范圍進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換并將其送到Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器，從而輸出相應(yīng)的電壓值。

圖3

２．２ 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，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(jī)初始化 、串口初始化、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器的初始化。（２）Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)，包括各通道增益、零點(diǎn)漂移校正。（３）現(xiàn)場(chǎng)壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集（４）壓力傳感器的零點(diǎn)校準(zhǔn)。溫度漂移補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償。（５）量程轉(zhuǎn)換，Ｄ／Ａ數(shù)據(jù)輸出。（６）實(shí)時(shí)壓力顯示。 （７） 串口中斷服務(wù)程序等。

在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要注意在Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換時(shí)，每次更改ＰＧＡ放大倍數(shù)時(shí)均需重新校準(zhǔn)，設(shè)定特殊寄存器ＡＤＣＯＮ１的ＳＭ１～０位為００，即進(jìn)入自動(dòng)模式數(shù)字濾波。這樣隨著Ａ／Ｄ采樣次數(shù)的增加，數(shù)字濾波依次為快速轉(zhuǎn)換、Ｓｉｎｃ２、Ｓｉｎｃ３數(shù)字濾波，從而最大限度地提高轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度。圖４為主程序和串口中斷通信服務(wù)程序流程圖。

２．３ 系統(tǒng)功能

基于ＭＳＣ１２１的智能壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能、自診斷、自校準(zhǔn)功能；自適應(yīng)、自調(diào)整功能；具有優(yōu)秀的記憶、存儲(chǔ)功能以及卓越的數(shù)據(jù)通訊功能。

３　結(jié)束語

ＭＳＣ１２１１可直接接收來自傳感器的微弱信號(hào)且集成度高、體積小，因此，采用ＭＣＳ１２１１構(gòu)成智能壓力傳感器可大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，充分利用各種軟件功能，可以完成硬件難以完成的任務(wù)，從而降低傳感器制造的難度，提高傳感器性能并降低成本。