李玉爽 劉東明

摘 要 為滿足油井現(xiàn)場在線測量示功圖的需求，本文設計了一種無線載荷傳感器，使用了具有24位分辨率的低功耗模數(shù)轉換器NAU7802，簡化了前端模擬電路設計。文中分析了NAU7802特性，給出了NAU7802應用電路圖，重點講解了NAU7802初始化流程。最后對系統(tǒng)進行了測試，結果表明采用NAU7802處理前端模擬信號，具有精度高、功耗低等特點，能夠滿足設計要求。

關鍵詞 示功圖；無線載荷傳感器；NAU7802

載荷傳感器是油井示功圖測量儀器的重要組成部分，當前示功圖測量儀器多半采用有線連接的載荷傳感器，存在現(xiàn)場施工不便、無法長時間在線測量等弊端。本文設計了一種無線載荷傳感器，可以長時間安裝在油井上，與無線位移傳感器配合，實現(xiàn)實時在線示功圖測量。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

對于無線載荷傳感器來說，需要使用電池供電，工作環(huán)境比較惡劣，溫度變化范圍比較大，設計重點主要是測量精度和功耗控制[2]。本文采用低功耗24位數(shù)模轉換器NAU7802、低功耗單片機 P89LPC922和微功耗無線數(shù)傳模塊APC240實現(xiàn)載荷傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送，由于采用了NAU7802處理前端模擬信號，大大簡化了系統(tǒng)電路和軟件編程，有效的降低了系統(tǒng)功耗，提高了測量精度。

1.NAU7802應用電路

NAU7802是新唐公司近期推出的具有24位分辨率的低功耗模數(shù)轉換器（ADC）。工作電壓2.7V~5.5V，工作電流2.6mA，待機電流0.1μA，內(nèi)部集成了為傳感器供電的可編程LDO，從電源特性可以看出，NAU7802非常適合于電池供電的非連續(xù)采集應用。NAU7802片內(nèi)集成了低噪聲可編程增益放大器（PGA），放大倍數(shù)可選1—128。A/D核心是一個分辨率為24位的sigma-delta（Σ-Δ）模數(shù)轉換器，最高有效位數(shù)可達21位。內(nèi)部還集成了數(shù)字濾波器，可以對50Hz和60Hz的干擾進行-90dB的抑制。時鐘信號可以由外接晶振提供，也可以由內(nèi)部RC振蕩器提供，便于簡化外部電路設計。

無線載荷傳感器前端電路如圖2所示。采用NAU7802通道1對載荷傳感器的電橋信號進行放大、采樣和量化，得到壓力的數(shù)字量由單片機通過I2C接口讀取。

2.NAU7802程序設計

NAU7802的通訊接口為2線雙向讀寫數(shù)字接口，兼容標準I2C協(xié)議，使用CPU的硬件I2C接口可以很容易的完成數(shù)據(jù)的讀寫，NAU7802工作在從設備模式，器件地址固定為0x2A，子地址范圍0x00—0x1F，可以連續(xù)讀寫。寄存器R0x00—R0x1F包括參數(shù)設置寄存器、偏移量校正寄存器、增益校正寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。

NAU7802初始化配置非常重要，只有相關參數(shù)配置正確，NAU7802才能工作在最佳狀態(tài)，初始化配置主要進行以下步驟：

（1）設置R0x00的RR位為1，保證復位所有寄存器的值。

（2）設置R0x00的RR位為0，PUD、PUA位為1，進入正常操作模式。

（3）大約200微秒之后，PWRUP位會變成1，表明內(nèi)部設備已經(jīng)完成上電操作。

（4）配置R0x00、R0x01、R0x02寄存器，完成LDO電壓選擇、轉換通道選擇、PGA增益選擇、轉換速度設置等操作。

（5）R0x02寄存器中的CALMOD選擇00，置位CALS位進行內(nèi)部校準，讀取并判斷CALS位，直到CALS位變成0表示校準完成。

（6）設置R0x00的CS位為1，啟動轉換序列。

初始化流程如圖3所示。

初始化完成后，NAU7802按照設置的速率進行A/D轉換，此時可以通過R0x12—R0x14寄存器讀出轉換后的24位數(shù)字量。

另外NAU7802內(nèi)部還集成有溫度傳感器，可以通過通道2連接內(nèi)部溫度傳感器，讀出現(xiàn)場溫度，對載荷傳感器進行溫度補償?shù)炔僮鳌y量的數(shù)字量可以通過內(nèi)部R0x03—R0x10寄存器進行偏移量校正和線性增益校正，可大大簡化現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理。

3.測試及結論

本文設計的無線載荷傳感器設置NAU7802轉換速率為10次/S，模擬帶寬為2.27Hz，前端放大倍數(shù)為32倍，基準電壓和傳感器供電電壓為3.0V，選用的載荷傳感器量程為15T，精度0.3級，靈敏度為1.549mV/V。系統(tǒng)經(jīng)過零點校準和增益校準后，在現(xiàn)場測試設備上得到如下結果：

AU7802標稱非線性誤差為±0.0015%FS，完全滿足本設計的需求，從實驗結果也可以看出，本文選用的NAU7802能夠滿足0.3級的載荷傳感器的測量要求。

得益于NAU7802和APC240的低功耗特性，本文設計的無線載荷傳感器待機電流低于50μA，在使用3600mAh鋰電池，每小時采集一次示功圖的條件下，可以連續(xù)工作12個月，滿足了現(xiàn)場需求。

參考文獻：

[1] 郭鳳華. 智能無線載荷位移傳感器改進與應用[J]. 科技資訊，2011，13：7-7.

[2] 唐云建，梁山，馮會偉等. 低功耗射頻喚醒無線傳感器網(wǎng)絡設計[J]. 傳感器技術學報，2007，20（10）：2328-2332.

[3] 新唐科技股份有限公司. NAU7801/NAU7802初期數(shù)據(jù)手冊.[EB/OL] .http://www.nuvoton.com/china/chs/Pages/default.aspx