数字压力变送器的设计理念

2018-07-19 11:34:37

数字压力变送器在设计中，要考虑很多的问题，以下为数字压力变送器设计全过程，并且参考了相关文献的著作，作者华仔。

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。