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ZMD31050在数字式气压传感器系统中的应用
  • 2009-03-31
  • 5763
  • 1 引言

     

    近年来,随着计算机和单片机的日益普及,数字传感器系统已得到广泛应用。数字式传感器是该系统的重要组成部分。选择高性能、具有数字接口的信号调理器是数字传感器设计的关键。zmd31050是一款高精度桥式传感器信号处理CMOS集成电路,以它为核心的数字传感器可以在多个方面实现对测量信号的补偿与校正,并可将测量信号以数字信号方式输出,且外围电路简单。zmd31050几乎适用于所有桥式传感器。

     

    zmd31050介绍

     

    2.1基本性能指标

     

    电源电压:+2.7 V~+5.5 V;

     

    输入信号:1 mV/V~275 mV/V;

     

    多种输出方式可供选择:电压(0 V~5 V),电流(4 mA~20 mA),PWM,I2C,SPI,ZACwireTM(一线接口),报警输出;

     

    桥式传感器的激励源可选:比例电压、恒压模式或恒流模式;

     

    高精度:~25℃+85℃时的误差为0.1%,-40℃~+125℃时的误差为0.25%;

     

    可对传感器的偏移、灵敏度、温漂和非线性进行数字补偿;

     

    输出分辨率最高为15位,可选择相对应的采样频率(最多3.9 kHz);

     

    PC通过数字接口实现器件的配置和校准。

     

    2.2工作原理

     

    图1为zmd31050的工作原理图,各模块功能如下:

     

            图1

     

            说明

     

    zmd31050具有内部EEPROM,共包含32个16位地址空间。zmd31050工作所必需的32个参数存储在EEPROM中。其中。22个校准常量用于传感器信号的计算校准,7个参数用于配置应用程序,1个CRC字(word)用于检查EEPROM内容的正确性,另外还有2个16位的字供用户自由使用。

     

    每次上电后:EEPROM中的内容被复制到RAM中。根据RAM中的配置,器件自动完成信号调理过程。首先,桥式传感器传递出的信号在PGA中进行预放大,MUX将该信号与外部二极管或分立温度传感器信号按照某种序列传送给ADC单元,ADC单元对这些信号进行A/D转换。然后,CMC根据ROM中存放的校正公式和EEPROM存放的校准参数对数字信号进行校正。根据配置,传感器信号以模拟量、数字量或PWM的形式输出,输出信号由串行接口及FIO1、FIO2提供。

     

    表1为:EEPROM和RAM中的参数分配与指令。数据配置和参数校准可以通过数字接口实现。

     

    2.3引脚功能

     

    图2为zmd31050的引脚排列。其引脚功能描述如表2所列。

     

            表1

     

            图2

     

            表2

     

    3数字式气压传感器系统应用

     

    3.1硬件设计

     

    zmd31050接收来自前端桥式传感器的微弱模拟信号,将这一信号放大,经A/D转换、补偿与校正后以数字信号形式传给后端微处理器。微处理器获取信号并进行处理。串口电平转换器MAX232完成电平转换。从而实现系统与PC机的通信。

     

    图3所示为基于zmd31050的数字式气压传感器应用系统框图。J1为桥式压力传感器与zmd31050的接口,J2是系统供电电源接口,J3为系统与PC机接口。桥式压力传感器与zmd31050简单连接即构成了数字式气压传感器,主要应用于观测气体压力的变化。其中,桥式压力传感器选用美国Silicon Microstructures公司的SMI5502-015一A。该器件量程为1标准大气压,满足目标测量要求。采用恒压源供电,输出微弱的电压信号,便于整个系统设计。本数字式气压传感器对温度无特殊要求,温度测量选择内置温度二极管。经zmd31050调理过的信号通过数字串口以15位数字信号的形式输出。

     

               图3

     

    外接的微控制器与其外围的晶体振荡器、看门狗、MAX232构成微控制系统。其中,外接微控制器为51系单片机中的AT89C4051,可满足全部数据处理和通信的要求。晶振Y1选择11.0592 MHz,为AT89C4051提供时钟信号。X5045为AT89C4051工作产生复位信号。MAX232完成电平转换,实现AT89C4051与上位机通信。

     

    数字式气压传感器与微控制系统构成数字式气压传感器应用系统,整个系统采用+5 V电源供电。数字式气压传感器支持I2C通信模式,由SDA、SCL线经上拉后与后端微控制器系统连接。通信过程中,zmd31050为从机模式,其默认通讯地址为0x78。

     

    3.2软件设计

     

    数字式气压传感器应用系统选用AT89C4051为外部微控制器。由于AT89C4051内部没有I2C模块,因此,需要通过I/O口模拟I2C与数字式气压传感器中的zmd31050进行通信。

     

    传感器系统的软件设计主要包括三个部分:内部EEPROM的配置、测量值的读取和处理、与上位机通信。而这三部分功能都由外接控制器编写程序来实现。

     

    在AT89C4051中编程,向zmd31050发送相关指令(详见表1),可以配置和修改EEPROM或RAM中的各项参数。配置和修改完成后,须发送特定指令激活所做的配置和修改,并开始测量循环。zmd31050就可以根据最新配置的参数对传感器采集到的模拟气压信号进行放大、A/D转换、校正和补偿。传感器的最终测量结果为按照配置处理好的数据,它们将被不间断地送到zmd31050的串口寄存器。

     

    在AT89C4051中编写"读操作"程序,可获得串口寄存器的测量值。先得到数据的高字节,再得到低字节。除非zmd31050接收到配置EEPROM或RAM内容的指令,否则,只要"读操作"不停止,就可以不间断读取测量值。在AT89C4051中可以编写简单的软件滤波程序处理读取的数据。

     

    另外。在AT89C4051中还要编写程序将处理过程的数据通过串口送出,并接收来自上位机的指令,即通过串口实现与PC机的通信。

     

    4 结束语

     

    数字传感器是传感器发展的趋势,zmd31050作为一款高效的信号调理可将传感器信号以数字形式输出,更重要的是,传感器信号的偏移、灵敏度、温漂和非线性可以有效进行补偿和校正,目前基于zmd31050的数字式气压传感器系统已经在地震前兆辅助观测领域中投入使用,其设计经验值得在其他桥式传感器设计中推广应用。

     

     

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