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【摘 要】 介紹了采用Σ△A／D轉(zhuǎn)換器和低功耗單片機構(gòu)成的數(shù)字壓力變送器的系統(tǒng)組成和工作過程以及CS5523A／D轉(zhuǎn)換器的使用方法。
??? 關(guān)鍵詞：Σ△A／D轉(zhuǎn)換器，變送器，單片機
系統(tǒng)由壓力傳感器、溫度傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器、CPU、EEPROM、D／A轉(zhuǎn)換器及液晶顯示器等幾部分組成。A／D、D／A轉(zhuǎn)換器，EEPROM，液晶顯示器與CPU均使用串行接口。因為系統(tǒng)采用兩線制變送器方案，要求整個系統(tǒng)的電流小于4mA。選擇器件時功耗應作為一個重要的因素考慮，本系統(tǒng)所使用的A／D轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器均具有省電功能，在設(shè)計軟件時，可以使各部分分時工作，確保整個系統(tǒng)的工作電流在4mA以內(nèi)。A／D轉(zhuǎn)換器使用CS5523Σ△A／D轉(zhuǎn)換器，其在5V工作電壓下，功耗為5．5mW，當輸入信號范圍為1V、2．5V、5V時功耗僅1．8 mW；CPU采用PIC16C711，其工作電流與時鐘有關(guān)，在5V、32kHz時，電流小于100μA；液晶顯示器工作電流小于50μA；D／A轉(zhuǎn)換器采用AD421，其內(nèi)部帶有電壓調(diào)整電路，外部僅需一只N溝道場效應管即可為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V工作電壓，D／A轉(zhuǎn)換器還可為系統(tǒng)提供1．25 V或2．5 V的基準電壓作為A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。
系統(tǒng)的工作過程：從壓力傳感器和溫度傳感器來的信號進入到A／D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部具有程控放大器，可根據(jù)輸入信號范圍自動設(shè)置放大器的增益，A／D轉(zhuǎn)換器對模擬信號數(shù)字化并數(shù)字濾波后，由CPU根據(jù)當前的溫度，從EEPROM中讀取零點、線性度校正數(shù)據(jù)，進行壓力傳感器的零點校正、非線性補償。然后根據(jù)量程范圍進行量程轉(zhuǎn)換，將壓力數(shù)字量送到D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流輸出，同時將壓力以kPa為單位顯示在液晶顯示器上。
2 CS5523 A／D轉(zhuǎn)換器
系統(tǒng)中所使用的A／D轉(zhuǎn)換器是高集成度、四通道16位Σ△A／D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部包括儀器放大器、可編程增益放大器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、數(shù)字濾波器及自校準、系統(tǒng)校準電路。芯片提供負壓產(chǎn)生電路，僅需少量的外圍元件就可以為內(nèi)部放大器提供負壓，使得A／D轉(zhuǎn)換器可以對不超過±100mV的雙極性信號進行A／D轉(zhuǎn)換。
2．1 A／D轉(zhuǎn)換器寄存器的設(shè)置
CS5523的寄存器有配置寄存器（ConfigurationRegister）、信道設(shè)置寄存器（Channel SetupRegisters）、增益寄存器（Gain Registers）、零點偏移寄存器（Offset Registers）、兩組命令寄存器（CommandRegister）。增益寄存器和偏移寄存器存放A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部放大器的增益、零點漂移校準數(shù)據(jù)，如果使用增益、零點偏移自校準命令，校準結(jié)果自動存放至相應的寄存器中，也可以人工校準增益、零點偏移，然后將校準結(jié)果寫入相應寄存器中。一般采用內(nèi)部自校準方式，當溫度變化時，由軟件控制A／D轉(zhuǎn)換器進行增益、零點偏移校準。這樣，可以實現(xiàn)實時校準內(nèi)部程控放大器的增益、零點漂移誤差。
配置寄存器用于設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換器的工作模式（多次轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換），多次轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)換一次的邏輯信道數(shù)，省電模式使能，負壓電路使能及各種標志位。
信道設(shè)置寄存器用于設(shè)置邏輯信道與物理信道的對應關(guān)系，轉(zhuǎn)換速率，各物理信道的輸入信號范圍及輸入信號極性（負壓電路使能時，可以雙極性信號輸入）。信道設(shè)置寄存器由4個24位寄存器組成，每個邏輯信道對應12位，共可設(shè)置8個邏輯信道。一個物理信道可以對應多個邏輯信道，且多個邏輯信道可以具有不同的轉(zhuǎn)換速率、輸入信號范圍。因此，在多次轉(zhuǎn)換模式時，一次轉(zhuǎn)換可以得到對某一物理信道的多次轉(zhuǎn)換結(jié)果。
兩組命令寄存器一組（最高位為0）用于讀寫各物理信道的增益寄存器、偏移寄存器，讀寫配置寄存器、信道設(shè)置寄存器以及讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。另一組（最高位為1）用于各邏輯信道的增益、零點偏移自校準，增益、零點偏移系統(tǒng)校準及啟動正常轉(zhuǎn)換。
2．2 工作模式設(shè)置
CS5523可以設(shè)置為多次轉(zhuǎn)換模式或單次轉(zhuǎn)換模式。當設(shè)置為多次轉(zhuǎn)換模式時，應將配置寄存器的MC位設(shè)置為1，同時要設(shè)置多次轉(zhuǎn)換時，一次轉(zhuǎn)換的邏輯信道數(shù)（對應配置寄存器的深度指針）且設(shè)置值應為001，011或111。當設(shè)置為單次轉(zhuǎn)換模式時，配置寄存器的MC位設(shè)置為0，配置寄存器的深度指針不起作用，對某一邏輯信道進行轉(zhuǎn)換直接由命令寄存器的信道指針（ChannelPointer）確定。
2．3 增益、零點偏移自校準
做增益、零點偏移自校準時，首先要設(shè)置好信道設(shè)置寄存器。設(shè)置好信道指針后，直接使用校準命令就可以對某一邏輯信道進行增益、零點偏移自校準。值得注意的是如果一個物理信道對應多個邏輯信道，且多個邏輯信道設(shè)置的轉(zhuǎn)換速率、輸入信號范圍不同，A／D轉(zhuǎn)換器存儲的校準結(jié)果為最后一個邏輯信道的校準結(jié)果。因此，當使用一個物理信道對應多個邏輯信道方式，擴展模擬輸入通道時，對每個邏輯信道進行A／D轉(zhuǎn)換時，可能都要進行增益、零點偏移自校準，否則會造成較大誤差。
3 軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)軟件包括如下幾個模塊：（1）系統(tǒng)初始化包括液晶顯示器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器的初始化；（2）A／D轉(zhuǎn)換器校準包括各通道增益、零點漂移校正；（3）壓力、溫度數(shù)據(jù)采集；（4）壓力傳感器零點校準，非線性補償；（5）量程轉(zhuǎn)換，D／A數(shù)據(jù)輸出；（6）壓力顯示
模塊。軟件流程圖如圖2所示。
1 鄭黎明等．智能模擬／數(shù)字壓力變送器的研制．自動化與儀表，1999；2：15～17
2 唐慧強．精密壓力變送器的研制．測控技術(shù)，1999；18（6）：63～64
??? 關(guān)鍵詞：Σ△A／D轉(zhuǎn)換器，變送器，單片機
在工業(yè)控制領(lǐng)域中，需要對一些參數(shù)進行測量，而一般傳感器的輸出信號較為微弱，不宜作遠距離傳輸。為了使信號傳送到遠離現(xiàn)場的控制室時減小干擾，通常采用4mA～20mA輸出的雙線制變送器。信號模擬處理的變送器，由于電路復雜性的限制，非線性補償效果不理想，很難在全溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)溫度補償，因此達不到較高的精度要求。低功耗單片機、高分辨率Σ△A／D轉(zhuǎn)換器的日益普及，為高精度數(shù)字壓力變送器的設(shè)計提供了技術(shù)途徑。本文介紹了采用Microchip公司的低功耗單片機、Σ△A／D轉(zhuǎn)換器及4mA～20mA電流輸出D／A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的數(shù)字壓力變送器的硬件構(gòu)成及工作原理。
1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及工作過程
??? 數(shù)字壓力變送器的硬件系統(tǒng)組成如圖1所示。
系統(tǒng)的工作過程：從壓力傳感器和溫度傳感器來的信號進入到A／D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部具有程控放大器，可根據(jù)輸入信號范圍自動設(shè)置放大器的增益，A／D轉(zhuǎn)換器對模擬信號數(shù)字化并數(shù)字濾波后，由CPU根據(jù)當前的溫度，從EEPROM中讀取零點、線性度校正數(shù)據(jù)，進行壓力傳感器的零點校正、非線性補償。然后根據(jù)量程范圍進行量程轉(zhuǎn)換，將壓力數(shù)字量送到D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流輸出，同時將壓力以kPa為單位顯示在液晶顯示器上。
2 CS5523 A／D轉(zhuǎn)換器
系統(tǒng)中所使用的A／D轉(zhuǎn)換器是高集成度、四通道16位Σ△A／D轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部包括儀器放大器、可編程增益放大器、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、數(shù)字濾波器及自校準、系統(tǒng)校準電路。芯片提供負壓產(chǎn)生電路，僅需少量的外圍元件就可以為內(nèi)部放大器提供負壓，使得A／D轉(zhuǎn)換器可以對不超過±100mV的雙極性信號進行A／D轉(zhuǎn)換。
2．1 A／D轉(zhuǎn)換器寄存器的設(shè)置
CS5523的寄存器有配置寄存器（ConfigurationRegister）、信道設(shè)置寄存器（Channel SetupRegisters）、增益寄存器（Gain Registers）、零點偏移寄存器（Offset Registers）、兩組命令寄存器（CommandRegister）。增益寄存器和偏移寄存器存放A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部放大器的增益、零點漂移校準數(shù)據(jù)，如果使用增益、零點偏移自校準命令，校準結(jié)果自動存放至相應的寄存器中，也可以人工校準增益、零點偏移，然后將校準結(jié)果寫入相應寄存器中。一般采用內(nèi)部自校準方式，當溫度變化時，由軟件控制A／D轉(zhuǎn)換器進行增益、零點偏移校準。這樣，可以實現(xiàn)實時校準內(nèi)部程控放大器的增益、零點漂移誤差。
配置寄存器用于設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換器的工作模式（多次轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換），多次轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)換一次的邏輯信道數(shù)，省電模式使能，負壓電路使能及各種標志位。
信道設(shè)置寄存器用于設(shè)置邏輯信道與物理信道的對應關(guān)系，轉(zhuǎn)換速率，各物理信道的輸入信號范圍及輸入信號極性（負壓電路使能時，可以雙極性信號輸入）。信道設(shè)置寄存器由4個24位寄存器組成，每個邏輯信道對應12位，共可設(shè)置8個邏輯信道。一個物理信道可以對應多個邏輯信道，且多個邏輯信道可以具有不同的轉(zhuǎn)換速率、輸入信號范圍。因此，在多次轉(zhuǎn)換模式時，一次轉(zhuǎn)換可以得到對某一物理信道的多次轉(zhuǎn)換結(jié)果。
兩組命令寄存器一組（最高位為0）用于讀寫各物理信道的增益寄存器、偏移寄存器，讀寫配置寄存器、信道設(shè)置寄存器以及讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。另一組（最高位為1）用于各邏輯信道的增益、零點偏移自校準，增益、零點偏移系統(tǒng)校準及啟動正常轉(zhuǎn)換。
2．2 工作模式設(shè)置
CS5523可以設(shè)置為多次轉(zhuǎn)換模式或單次轉(zhuǎn)換模式。當設(shè)置為多次轉(zhuǎn)換模式時，應將配置寄存器的MC位設(shè)置為1，同時要設(shè)置多次轉(zhuǎn)換時，一次轉(zhuǎn)換的邏輯信道數(shù)（對應配置寄存器的深度指針）且設(shè)置值應為001，011或111。當設(shè)置為單次轉(zhuǎn)換模式時，配置寄存器的MC位設(shè)置為0，配置寄存器的深度指針不起作用，對某一邏輯信道進行轉(zhuǎn)換直接由命令寄存器的信道指針（ChannelPointer）確定。
2．3 增益、零點偏移自校準
做增益、零點偏移自校準時，首先要設(shè)置好信道設(shè)置寄存器。設(shè)置好信道指針后，直接使用校準命令就可以對某一邏輯信道進行增益、零點偏移自校準。值得注意的是如果一個物理信道對應多個邏輯信道，且多個邏輯信道設(shè)置的轉(zhuǎn)換速率、輸入信號范圍不同，A／D轉(zhuǎn)換器存儲的校準結(jié)果為最后一個邏輯信道的校準結(jié)果。因此，當使用一個物理信道對應多個邏輯信道方式，擴展模擬輸入通道時，對每個邏輯信道進行A／D轉(zhuǎn)換時，可能都要進行增益、零點偏移自校準，否則會造成較大誤差。
3 軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)軟件包括如下幾個模塊：（1）系統(tǒng)初始化包括液晶顯示器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器的初始化；（2）A／D轉(zhuǎn)換器校準包括各通道增益、零點漂移校正；（3）壓力、溫度數(shù)據(jù)采集；（4）壓力傳感器零點校準，非線性補償；（5）量程轉(zhuǎn)換，D／A數(shù)據(jù)輸出；（6）壓力顯示
模塊。軟件流程圖如圖2所示。
4 試驗結(jié)果
我們采用陶瓷壓阻壓力傳感器，其主要技術(shù)指標為：量程30kPa，靈敏度2mV／V，零點±0．2mV／V，線性度±0．2％，工作溫度－40℃～＋125℃。A／D轉(zhuǎn)換器的輸入信號范圍設(shè)置為±25mV?？紤]到傳感器的線性度誤差能滿足系統(tǒng)精度要求，數(shù)據(jù)處理僅考慮零點校正。試驗結(jié)果見表1。
參考文獻
2 唐慧強．精密壓力變送器的研制．測控技術(shù)，1999；18（6）：63～64
工商網(wǎng)監(jiān)
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