基于MSP430的高精度微功耗可存取數(shù)字壓力表設(shè)計(jì)
采用MSP430F149作為總控制器，設(shè)計(jì)了高精度微功耗數(shù)字壓力表。座力傳感器采用恒流源 供電，其輸出采用AD7714進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以ADR291產(chǎn)生的恒壓作為其參考電壓a采用糢塊化供電和 分時教據(jù)采集的策略降低系統(tǒng)功耗，采用自主設(shè)計(jì)的MOSFET電源開關(guān)切斷不工作模塊的電源。運(yùn)用 基于變化速率的均值漶波方法對采集的壓力教據(jù)進(jìn)行漶波，最后采用多點(diǎn)枚準(zhǔn)的方式對壓力表進(jìn)行校 準(zhǔn)。采用簡化的文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時壓力數(shù)據(jù)的存被與回放。叢力表精度達(dá)到0.25釦以上，在采用4節(jié) 5?千電池供電的情況下，正常連縷工作時間達(dá)3 000h以上。
隨著壓力測量的應(yīng)用越來越廣泛，對壓力測 童儀器的要求也越來越高。目前,在工業(yè)現(xiàn)場和 科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用最多的是彈性式和電子式壓力儀 表:彈性式壓力表由于發(fā)展多年，應(yīng)用廣泛、技術(shù) 成熟，但發(fā)展空間較小;隨著對測量自動化程度要 求的提高，電子式壓力表成為壓力測量的主流。 而如今信息化的高速發(fā)展又對電子式壓力表提出 了高精度的要求,再加之現(xiàn)在測量儀表都向小型 化、便攜式發(fā)展，干電池成為主要的供電方式，而干電池容量有限，這就對測童儀表的微功耗提出 了更高的要求。
1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)旨在設(shè)計(jì)一款高精度微功耗的數(shù)字壓 力表，因此髙精度和微功耗是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難 點(diǎn),必須從總體設(shè)計(jì)時就加以考慮。系統(tǒng)總功耗 一般包括元件級功耗和系統(tǒng)級功耗⑴，需要從這 兩方面人手才能達(dá)到系統(tǒng)微功耗的目的。
本系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，外圍主要包括電源管理模塊、參考電壓模塊、恒流源、壓力數(shù) 據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、串口通信模塊、溫度 采集模塊及按鍵電路等。
MSP430系列單片機(jī)是_種超低功耗的混合 信號處理器,這個系列的微控制器可以采用電池 供電工作，且待機(jī)時間長。靈活的時鐘源可以使 器件達(dá)到最低的功率消耗；數(shù)字控制的振蕩器 (DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于 6#的時間內(nèi)激活到活躍工作方式121。考慮到本 系統(tǒng)微功耗的要求，最終采用MSP430F149作為 總控制器。壓力傳感器采用了 MEAS公司的 87N-5000,此傳感器線性好，溫度誤差小且功耗 低,滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中高精度、微功耗的要求。
2硬件設(shè)計(jì)
2.1電源管理模塊
本系統(tǒng)采用模塊化供電和時間規(guī)劃機(jī)制，某 個模塊在不工作時可以與電源斷開，以降低功耗。 采用MAX883和MAX884分別作為系統(tǒng)的5V和 3.3V電源，此兩款芯片是低壓差線性穩(wěn)壓芯片, 在最低功耗工作模式下靜態(tài)電流只有l(wèi)pA，完全 可以滿足系統(tǒng)微功耗的要求。
本系統(tǒng)采用一片MAX883和兩片MAX884分 別為系統(tǒng)各模塊供電。其中，一片MAX884產(chǎn)生 的CPU3.3V是常開狀態(tài)，而其他兩路電源在壓力 表關(guān)機(jī)時,可以由單片機(jī)控制其關(guān)閉。還配合使 用N溝道和P溝道MOSFET設(shè)計(jì)了電源開關(guān)，因 溫度采集模塊和串口通信模塊不常使用，因此為 這兩個模塊分別配置一個電源開關(guān),通過單片機(jī) 的I/O 口控制電源開關(guān)的通斷，以降低功耗。
另外，由于液晶背光功耗較大，因此采取電池 電壓直接供電的策略,通過MOSFET電源開關(guān)接 人不同阻值的限流電阻，可以控制液晶背光的亮 度，實(shí)現(xiàn)背光亮度的多級調(diào)節(jié),一定程度上降低了 系統(tǒng)功耗。
2.2壓力數(shù)據(jù)采集模塊
MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部集成了 12位A/D 轉(zhuǎn)換模塊和可供選擇的1.25V和2.5V參考電壓 模塊，因此很多壓力表直接采用了單片機(jī)內(nèi)部A/ D模塊和參考電壓。這樣雖然簡化了系統(tǒng)結(jié) 構(gòu),但直接限制了壓力表的精度。本系統(tǒng)壓力數(shù) 據(jù)采集模塊包括壓力數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換，壓力傳 感器采用恒流源供電，其輸出由AD7714放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,AD7714的參考電壓由外部參考 電壓電路產(chǎn)生。
2.2.1參考電壓電路
本系統(tǒng)采用的參考電壓由ADR291產(chǎn)生, ADR291是低噪聲、小功率參考電壓芯片。參考電壓 電路如圖2所示,其產(chǎn)生的2.5V參考電壓精度在0. 12%以上,滿足本系統(tǒng)高精度的要求。輸出2.5V經(jīng) 過電阻分壓后產(chǎn)生1. 25V作為A/D芯片的參考電 壓，為提高A/D芯片參考電壓的精度，圖2中的R33 和R34均采用l%o的高精密電阻。
2.2.2恒流源電路
本系統(tǒng)采用的壓力傳感器內(nèi)部的測量電路是 全橋差動電路，而電橋的供電電源可采用恒壓潭， 也可采用恒流源。為了減少溫度的影響，提髙 測量精度,本系統(tǒng)采用恒流源為壓力傳感器供電。
恒流源電路的核心芯片是OPA335,此芯片是 自動置零，單電源運(yùn)算放大器。具有最大5(|^的 失調(diào)電壓，285RA的靜態(tài)電流，同時滿足了系統(tǒng)高 精度和微功耗的要求。恒流源電路如圖3所示, 利用運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷”的特性設(shè)計(jì),其 中電阻R29、R31和R32均采用1%的高精密電 阻,產(chǎn)生806皡的恒流源，【+和I-分別是壓力 傳感器的正、負(fù)電源輸人端。經(jīng)測試,此恒流源在 負(fù)載阻抗低于5kO時，穩(wěn)定可靠，滿足本系統(tǒng)壓 力傳感器的供電要求。
由于MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部集成的12位A/D無法滿足本系統(tǒng)高精度的要求，考慮到本系 統(tǒng)微功耗的要求，最終選用了 24位A/D芯片 AD7714YRU0此芯片使用和-差轉(zhuǎn)換技術(shù)以實(shí) 現(xiàn)高達(dá)24位的無誤碼性能，具有0. 15%的非線 性度。另外，此芯片內(nèi)部包含了可編程放大器 (PGA)，可以實(shí)現(xiàn)最大128倍的小信號放大，節(jié)省 了電路中對高精度小信號放大電路的設(shè)計(jì)，簡化 了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
在設(shè)計(jì)AD7714的外圍電路時應(yīng)特別注意， 數(shù)字電源和模擬電源分開供電，數(shù)字地線經(jīng)過0￡1 電阻后接地,避免了相互之間的干擾。
3.軟件設(shè)計(jì)
3.1分時數(shù)據(jù)采集
MSP430有一種活動模式和5種低功耗模式，通 過設(shè)置可以從活動模式進(jìn)人相應(yīng)的低功耗模式，而 各種低功耗模式都可通過中斷的方式進(jìn)人活動模 式。不同工作模式下MSP430的耗電情況差別很 大,其中低功耗模式3 (LPM3)和低功耗模式4 (LMP4)系統(tǒng)功耗相當(dāng)?shù)?基本可以忽略。
本系統(tǒng)采用分時數(shù)據(jù)采集的策略，即根據(jù)設(shè) 置的菜單情況,采集不同的數(shù)據(jù)信息，如壓力、溫 度及電池電壓等信息。以壓力數(shù)據(jù)采集為例，并 不是程序每循環(huán)一次進(jìn)行一次壓力數(shù)據(jù)采集，而 是根據(jù)時間信息來采集。本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)為每 0.U進(jìn)人一次時間中斷，在時間中斷中退出低功 耗模式3,進(jìn)人活動模式，程序循環(huán)執(zhí)行一次，然 后進(jìn)人低功耗模式3(LPM3)。同時，程序循環(huán)執(zhí) 行時對時間迸行判斷，如果間隔時間達(dá)到0. 4s, 讀取一次壓力數(shù)據(jù),并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)總的 程序流程如圖4所示。
3.2變化速率均值濾波
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，簡單的均值濾波方法不能滿足本 系統(tǒng)實(shí)時性和穩(wěn)定性的要求。因此，本系統(tǒng)根據(jù) 壓力數(shù)據(jù)的變化速率確定具體的濾波方法：在壓 力數(shù)據(jù)變化較快時，為了保證壓力表顯示數(shù)據(jù)的 實(shí)時性,采用的是較少點(diǎn)均值法濾波;在壓力數(shù)據(jù) 變化較慢時，為了保證壓力表顯示數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性， 采用的是較多點(diǎn)排序后取中間部分均值法濾波。
首先采集壓力數(shù)據(jù)，然后判斷連續(xù)兩次壓力 數(shù)據(jù)變化方向是否相同，若不相同，則直接返回； 若相同，則采用遞推方式將壓力數(shù)據(jù)寫人數(shù)組，隨 后判斷下式：
2 I temp2 - temp{ I > SUM (I)
? ?i
式中temp,、temp2 近兩次采集到的壓力數(shù)據(jù)；
SUM——設(shè)置的判斷閾值。
若式（1)成立，則表明當(dāng)前壓力變化較快，則 求數(shù)組中M個新推人數(shù)據(jù)的平均值作為當(dāng)前壓 力值,計(jì)算式如下：
Af-l
press = X Cal\ ￡]/M (2)
式中Ca/[i]—存儲壓力數(shù)據(jù)的數(shù)組；
press 返回的壓力值。
若式（1)不成立，則表明當(dāng)前壓力變化較慢， 必須滿足穩(wěn)定性的要求，則將存儲當(dāng)前壓力的數(shù) 組中的數(shù)據(jù)賦值給排序數(shù)組，排序數(shù)組對數(shù)據(jù)進(jìn) 行排序,然后去掉兩個最大值、兩個最小值，將剩 余數(shù)值求平均，計(jì)算式如下：
press = 5] Queue[i]/(/V-4) (3)
t=2
式中Queued]—排序數(shù)組在排序后的數(shù)值；
press 返回的壓力值；
N——排序數(shù)組中數(shù)據(jù)的個數(shù)。
實(shí)驗(yàn)證明，采用本濾波方法后,壓力表既能滿 足當(dāng)前壓力實(shí)時變化的要求，又能滿足穩(wěn)定壓力 顯示穩(wěn)定的要求。
3.3多點(diǎn)校準(zhǔn)與線性插值
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),一般的壓力傳感器即使采用恒流 源供電，其輸出與輸人并不是呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系，這就給校準(zhǔn)帶來了困難[6]。對精度要求不高 的壓力表一般采用滿量程和零點(diǎn)校準(zhǔn)的方式，經(jīng) 過實(shí)驗(yàn)，這種校準(zhǔn)方式不能滿足本系統(tǒng)高精度的 要求。因此，本系統(tǒng)采用了多點(diǎn)校準(zhǔn)的方式，用多 條線段模擬逼近壓力傳感器的輸出曲線（圖5)。
本系統(tǒng)最終采用11點(diǎn)校準(zhǔn)的方式,即滿量程 的0%, 10%, 20%,…，100%,校準(zhǔn)完成后，將校 準(zhǔn)數(shù)據(jù)存人Flash數(shù)據(jù)存儲區(qū)。計(jì)算 當(dāng)前壓力值時,首先將得到的當(dāng)前壓力數(shù)據(jù)與校 準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較,得到當(dāng)前壓力數(shù)據(jù)所在 的區(qū)間，采用線性插值的方法計(jì)算當(dāng)前壓力值：
pre&s_unit = (press - Cctl_Dw[i\ )/{ CalJ)iv[ t + 1] ~
Cal^Div[ e]) + range ? i/10 (4)
式中pressjinit 當(dāng)前顯不壓力值；
range 壓力表量程；
press—濾波后得到的壓力數(shù)據(jù)。
插值造成的誤差為：
= pres8_unit - Y, (5)
式中K——實(shí)際壓力值,一般取精度高1級或 更多的壓力表的測量值。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到滿量程和零點(diǎn)校準(zhǔn)方式與11點(diǎn) 校準(zhǔn)方式的對比數(shù)據(jù)列于表1。
從表1中可以得出，兩點(diǎn)校準(zhǔn)方式在靠近o 點(diǎn)和滿量程點(diǎn)時精度較高，在中間段時誤差較大， 精度較低，因此兩點(diǎn)校準(zhǔn)方式只適合對精度要求 較低的場合。而本系統(tǒng)采用的多點(diǎn)校準(zhǔn)方式，較 準(zhǔn)確地?cái)M合了壓力傳感器輸出曲線,很大程度上 提髙了測量精度，滿足了本系統(tǒng)對壓力測量高精 度的要求。
3.4數(shù)據(jù)存儲及回放
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于MSP430內(nèi)部大容量 Flash的數(shù)據(jù)存儲機(jī)制,允許實(shí)時存儲壓力表采集 到的壓力數(shù)據(jù)和壓力校準(zhǔn)值,保證在關(guān)機(jī)或者掉 電情況下數(shù)據(jù)不丟失,并且提供數(shù)據(jù)回放功能,査 詢歷史存儲數(shù)據(jù)。
由于本系統(tǒng)采用的單片機(jī)MSP430F149內(nèi)部 有64KB的Flash,除去其內(nèi)部資源占用的，還有 60KB的代碼存儲空間和256B的A、B段信息存 儲器,完全滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲要求。其中選用A 段信息存儲器存儲系統(tǒng)壓力校準(zhǔn)值,保證壓力表 校準(zhǔn)一次后，數(shù)據(jù)不丟失。另外從60KB代犸存 儲空間保留10KB的空間存儲實(shí)時壓力數(shù)據(jù)，在 存儲機(jī)制上,編寫了簡單的文件系統(tǒng)管理存儲數(shù) 據(jù),即采用了文件組方式存儲數(shù)據(jù)，由于存儲空間 的限制，本系統(tǒng)最多可以存儲40個文件，每個文 件可以存儲20個點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù),同時增加了淸零 功能,在數(shù)據(jù)存滿之后可以手動淸除整個文件存 儲區(qū)，保證數(shù)據(jù)存儲的持續(xù)性。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，該 簡化的文件系統(tǒng)滿足了數(shù)據(jù)實(shí)時存儲和查詢回放 功能，同時也可以把存儲的數(shù)據(jù)通過RS232通信 接口上傳到上位機(jī)以供査看。
4.結(jié)束語
筆者系統(tǒng)地介紹了高精度、微功耗、可存取數(shù) 字壓力表的設(shè)計(jì)思路，并分別從硬件和軟件方面 闡述了實(shí)現(xiàn)高精度、微功耗要求的方法，同時給出 了數(shù)據(jù)存儲與回放的方法,最后給出了實(shí)驗(yàn)對比 數(shù)據(jù),分析了壓力表的測量誤差。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，壓力 表的測量精度可以達(dá)到0.25知,在4節(jié)5?干電池 供電的情況下，可正常連續(xù)工作時間3 OOOh以 上。本設(shè)計(jì)必將推動便攜式、微功耗儀表的發(fā)展， 并為電子測量信息化、數(shù)字化奠定基礎(chǔ)。
