数字压力变送器的设计

【摘　要】　介绍了采用Σ△A／D转换器和低功耗单片机构成的数字压力变送器的系统组成和工作过程以及CS5523A／D转换器的使用方法。
    关键词：Σ△A／D转换器，变送器，单片机

　　在工业控制领域中，需要对一些参数进行测量，而一般传感器的输出信号较为微弱，不宜作远距离传输。为了使信号传送到远离现场的控制室时减小干扰，通常采用4mA～20mA输出的双线制变送器。信号模拟处理的变送器，由于电路复杂性的限制，非线性补偿效果不理想，很难在全温度范围内实现温度补偿，因此达不到较高的精度要求。低功耗单片机、高分辨率Σ△A／D转换器的日益普及，为高精度数字压力变送器的设计提供了技术途径。本文介绍了采用Microchip公司的低功耗单片机、Σ△A／D转换器及4mA～20mA电流输出D／A转换器构成的数字压力变送器的硬件构成及工作原理。
1　系统硬件构成及工作过程
    数字压力变送器的硬件系统组成如图1所示。

　　系统由压力传感器、温度传感器、A／D转换器、CPU、EEPROM、D／A转换器及液晶显示器等几部分组成。A／D、D／A转换器，EEPROM，液晶显示器与CPU均使用串行接口。因为系统采用两线制变送器方案，要求整个系统的电流小于4mA。选择器件时功耗应作为一个重要的因素考虑，本系统所使用的A／D转换器、液晶显示器均具有省电功能，在设计软件时，可以使各部分分时工作，确保整个系统的工作电流在4mA以内。A／D转换器使用CS5523Σ△A／D转换器，其在5V工作电压下，功耗为5．5mW，当输入信号范围为1V、2．5V、5V时功耗仅1．8 mW；CPU采用PIC16C711，其工作电流与时钟有关，在5V、32kHz时，电流小于100μA；液晶显示器工作电流小于50μA；D／A转换器采用AD421，其内部带有电压调整电路，外部仅需一只N沟道场效应管即可为系统提供稳定的5V工作电压，D／A转换器还可为系统提供1．25 V或2．5 V的基准电压作为A／D转换器的参考电压。
　　系统的工作过程：从压力传感器和温度传感器来的信号进入到A／D转换器，其内部具有程控放大器，可根据输入信号范围自动设置放大器的增益，A／D转换器对模拟信号数字化并数字滤波后，由CPU根据当前的温度，从EEPROM中读取零点、线性度校正数据，进行压力传感器的零点校正、非线性补偿。然后根据量程范围进行量程转换，将压力数字量送到D／A转换器转换成电流输出，同时将压力以kPa为单位显示在液晶显示器上。
2　CS5523 A／D转换器
　　系统中所使用的A／D转换器是高集成度、四通道16位Σ△A／D转换器。其内部包括仪器放大器、可编程增益放大器、多路转换开关、数字滤波器及自校准、系统校准电路。芯片提供负压产生电路，仅需少量的外围元件就可以为内部放大器提供负压，使得A／D转换器可以对不超过±100mV的双极性信号进行A／D转换。
2．1　A／D转换器寄存器的设置
　　CS5523的寄存器有配置寄存器（ConfigurationRegister）、信道设置寄存器（Channel SetupRegisters）、增益寄存器（Gain Registers）、零点偏移寄存器（Offset Registers）、两组命令寄存器（CommandRegister）。增益寄存器和偏移寄存器存放A／D转换器内部放大器的增益、零点漂移校准数据，如果使用增益、零点偏移自校准命令，校准结果自动存放至相应的寄存器中，也可以人工校准增益、零点偏移，然后将校准结果写入相应寄存器中。一般采用内部自校准方式，当温度变化时，由软件控制A／D转换器进行增益、零点偏移校准。这样，可以实现实时校准内部程控放大器的增益、零点漂移误差。
　　配置寄存器用于设置A／D转换器的工作模式（多次转换或单次转换），多次转换时转换一次的逻辑信道数，省电模式使能，负压电路使能及各种标志位。
　　信道设置寄存器用于设置逻辑信道与物理信道的对应关系，转换速率，各物理信道的输入信号范围及输入信号极性（负压电路使能时，可以双极性信号输入）。信道设置寄存器由4个24位寄存器组成，每个逻辑信道对应12位，共可设置8个逻辑信道。一个物理信道可以对应多个逻辑信道，且多个逻辑信道可以具有不同的转换速率、输入信号范围。因此，在多次转换模式时，一次转换可以得到对某一物理信道的多次转换结果。
　　两组命令寄存器一组（最高位为0）用于读写各物理信道的增益寄存器、偏移寄存器，读写配置寄存器、信道设置寄存器以及读转换结果。另一组（最高位为1）用于各逻辑信道的增益、零点偏移自校准，增益、零点偏移系统校准及启动正常转换。
2．2　工作模式设置
　　CS5523可以设置为多次转换模式或单次转换模式。当设置为多次转换模式时，应将配置寄存器的MC位设置为1，同时要设置多次转换时，一次转换的逻辑信道数（对应配置寄存器的深度指针）且设置值应为001，011或111。当设置为单次转换模式时，配置寄存器的MC位设置为0，配置寄存器的深度指针不起作用，对某一逻辑信道进行转换直接由命令寄存器的信道指针（ChannelPointer）确定。
2．3　增益、零点偏移自校准
　　做增益、零点偏移自校准时，首先要设置好信道设置寄存器。设置好信道指针后，直接使用校准命令就可以对某一逻辑信道进行增益、零点偏移自校准。值得注意的是如果一个物理信道对应多个逻辑信道，且多个逻辑信道设置的转换速率、输入信号范围不同，A／D转换器存储的校准结果为最后一个逻辑信道的校准结果。因此，当使用一个物理信道对应多个逻辑信道方式，扩展模拟输入通道时，对每个逻辑信道进行A／D转换时，可能都要进行增益、零点偏移自校准，否则会造成较大误差。
3　软件设计
　　整个系统软件包括如下几个模块：（1）系统初始化包括液晶显示器、A／D转换器、D／A转换器的初始化；（2）A／D转换器校准包括各通道增益、零点漂移校正；（3）压力、温度数据采集；（4）压力传感器零点校准，非线性补偿；（5）量程转换，D／A数据输出；（6）压力显示
模块。软件流程图如图2所示。

4　试验结果
　　我们采用陶瓷压阻压力传感器，其主要技术指标为：量程30kPa，灵敏度2mV／V，零点±0．2mV／V，线性度±0．2％，工作温度－40℃～＋125℃。A／D转换器的输入信号范围设置为±25mV。考虑到传感器的线性度误差能满足系统精度要求，数据处理仅考虑零点校正。试验结果见表1。

参考文献

1　郑黎明等．智能模拟／数字压力变送器的研制．自动化与仪表，1999；2：15～17
2　唐慧强．精密压力变送器的研制．测控技术，1999；18（6）：63～64