周光兵，羅 軍，張小軍

(上海艾絡(luò)格電子技術(shù)有限公司，上海 201105)

0 引言

壓力變送器按照傳感器結(jié)構(gòu)組成分類主要有電容式和硅壓阻式[1]，其中硅壓阻式傳感器以其成本低廉、抗干擾能力強、體積小、質(zhì)量輕、分辨率高等特點[2]正被大量用在工業(yè)測量與環(huán)境監(jiān)測方面。目前市場上采用硅壓阻式傳感器構(gòu)建的直接安裝型壓力變送器大多采用模擬電路來實現(xiàn)，比較經(jīng)典的是用單芯片XTR105來實現(xiàn)的，或者用儀表運放等分立元件來設(shè)計，這些方案的優(yōu)點是成本低，結(jié)構(gòu)簡單，但缺點是變送器的測量精度和溫度性能方面比起智能型壓力變送器要差。智能型硅壓力變送器的設(shè)計方案大多是傳感器加儀表運放再加ADC轉(zhuǎn)換后給MCU進行數(shù)據(jù)處理，線性溫度修正，然后DAC輸出4～20 mA模擬信號。這樣的方案雖然可以做到高精度，高穩(wěn)定性，但是整個系統(tǒng)采用了較多的芯片模塊，一方面增加了成本，另一方面要做到小體積非常困難。ADuCM360芯片內(nèi)部集成了PGA放大器，雙路24位ADC，ARM CORTEX-M3內(nèi)核處理器以及恒流源輸出模塊。非常適合在4～20 mA環(huán)路供電智能變送器設(shè)計中使用。該設(shè)計就是采用ADuCM360與擴散硅壓力傳感器來實現(xiàn)小巧型、低成本、高性能的智能壓力變送器。

1 ADuCM360概述

ADuCM360是完全集成的3．9 KSPS、24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在單芯片上集成雙核高性能多通道Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、32位ARM CortexTM-M3處理器和Flash/EE存儲器。ADuCM360自帶一個片內(nèi)32 kHz振蕩器和一個內(nèi)部16 MHz高頻振蕩器。微控制器的內(nèi)核為低功耗ARM Cortex-M3處理器，它是一個32位RISC機器，峰值性能最高可達20 MIPS。Cortex-M3處理器集成了靈活的11通道DMA控制器，支持各種通信外設(shè)(SPI、UART和I2C)。片內(nèi)還集成128 KB非易失性Flash/EE存儲器和8 KB SRAM。模擬子系統(tǒng)由雙通道ADC組成，每個ADC均連接到一個靈活的輸入多路復(fù)用器。兩個ADC都可在全差分和單端模式下工作。其他的片內(nèi)ADC功能包括：雙通道可編程激勵電流源、診斷電流源和偏置電壓產(chǎn)生器AVDD_REG/2(900 mV)，可用于設(shè)置輸入通道的共模電壓。低端內(nèi)部接地開關(guān)可在兩次轉(zhuǎn)換之間關(guān)斷外部電路(例如橋電路)。該器件集成一個低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，但在采用比例式測量配置時可配置成接受一或兩個外部基準(zhǔn)電壓源。片內(nèi)集成了可緩存外部基準(zhǔn)電壓輸入的選項。片內(nèi)集成一個單通道帶緩沖的電壓輸出DAC。ADuCM360集成了一系列片內(nèi)外設(shè)，可以根據(jù)應(yīng)用需要通過微控制器軟件控制進行配置。這些外設(shè)包括：UART、I2C和雙通道SPI串行I/O通信控制器、19引腳GPIO端口；2個通用定時器；喚醒定時器及系統(tǒng)看門狗定時器。同時提供了一個帶6個輸出通道的16位PWM控制器。ADuCM360專為要求低功耗工作的電池供電應(yīng)用而設(shè)計。微控制器內(nèi)核可配置為正常工作模式，功耗為290 μA/ MHz(包括flash/SRAM IDD)。在兩個ADC均打開(輸入緩沖器關(guān)閉)、PGA增益為4、一個SPI端口打開和所有定時器均打開時，系統(tǒng)總電流消耗可以達到1 mA．ADuCM360可以直接通過程序控制配置為多種低功耗工作模式，包括休眠模式(內(nèi)部喚醒定時器有效)，此時能耗僅為4 μA．在休眠模式下，諸如外部中斷或內(nèi)部喚醒定時器等外設(shè)可以喚醒該器件。該模式可讓器件在功耗極低的情況下運行，同時仍然響應(yīng)外部異步或周期事件[3]。該器件采用外部1．8～3．6 V電源供電，額定溫度范圍為-40～+125 ℃工業(yè)溫度范圍。圖1為ADuCM360的功能框圖。

圖1 ADuCM360內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

由于ADuCM360的封裝為QFN48，外形尺寸僅為7 mm×7 mm，非常小巧，而且其內(nèi)部集成了前置放大、ADC和MCU以及12位DADC，幾乎單顆芯片就可以實現(xiàn)完整的變送器方案，因此特別適合在投入式液位變送器等對結(jié)構(gòu)要求比較苛刻的設(shè)計中使用。圖2為完整的硬件設(shè)計原理圖。該系統(tǒng)主要由ADuCM360配合XTR115芯片構(gòu)成，其中ADuCM360負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、信號處理、A/D轉(zhuǎn)換、智能補償、線性擬合和DAC輸出等工作，XTR115主要負(fù)責(zé)V/I轉(zhuǎn)換輸出4～20 mA電流信號，同時為整個系統(tǒng)提供工作電源。傳感器采用硅壓阻式壓力傳感器，信號激勵源由ADuCM360內(nèi)置的恒流源產(chǎn)生，該恒流源輸出范圍為50～1 000 μA；可由軟件任意配置。傳感器輸出的mV信號經(jīng)濾波后接入ADuCM360的模擬輸入引腳，該差分信號可由ADuCM360內(nèi)部集成的PGA進行放大后經(jīng)由芯片內(nèi)置的Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，該PGA的放大倍數(shù)可自由編程設(shè)定為1、2、4、8、16、32、64、128等。與此同時另一路模擬信號由一個LL4148二極管構(gòu)成的PN結(jié)測溫電路組成，其目的是用來測量傳感器的工作溫度，作為溫度補償時的溫度傳感器。由于ADuCM360內(nèi)部集成了2個完全獨立的ADC內(nèi)核，因此可以將壓力信號和溫度信號分別送入各自的ADC內(nèi)核同時進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號首先通過ARM CortexTM-M3內(nèi)核進行數(shù)字濾波等處理，然后進行溫度補償修正和線性化擬合，擬合后的A/D值根據(jù)標(biāo)定時計算好的模型公式即可換算出相應(yīng)的壓力值。再根據(jù)變送器壓力值在量程范圍中所占的百分比即可換算成相應(yīng)的4～20 mA電流值。由于ADuCM360內(nèi)置了DAC模塊，該DAC的分辨率在正常模式下為12位，在插值模式下可以達到14位有效位。當(dāng)采用芯片內(nèi)置的1．2 V基準(zhǔn)時，該模塊的輸出范圍是0～1．2 V；為此專門設(shè)計一個合理的軟件換算公式，使壓力值為量程下限時DAC模塊輸出0．204 V，壓力值為量程上限時DAC輸出1．02 V．該模擬量輸出后經(jīng)由5．1 kΩ限流電阻R3后送入XTR115芯片的2腳，輸入XTR115芯片的電流值范圍為40～200 μA．由于XTR115的電流輸出公式為：

圖2 智能壓力變送器硬件原理圖

Iout=100Iin

式中Iin為XTR115的2腳輸入的電流值，μA．

因此XTR115的輸出范圍為4～20 mA．XTR115輸出經(jīng)由三極管Q1后輸出，Q1的作用是增加驅(qū)動能力，分擔(dān)大部分的電流，當(dāng)供電電壓為40 V，輸出電流為20 mA時，消耗在Q1上的功率大約為0．8 W，因此Q1要盡可能選用大功率的三極管，而且在線路板布局時盡量遠離XTR115芯片和其他芯片并采取合理散熱措施，以避免由于Q1發(fā)熱而帶來的溫度影響[4-5]。由于ADuCM360完全采用了低功耗設(shè)計，在設(shè)計中選擇主頻為1 MHz，定時器0打開，ADC模塊和DAC模塊以及串口模塊均正常工作時的實測功耗約為1．5 mA，傳感器激勵的功耗最大1 mA，其他XTR115以及LDO芯片等合計約為0．5 mA，整個系統(tǒng)總功耗不超過3 mA，因此系統(tǒng)功耗完全滿足設(shè)計需要。系統(tǒng)通過UART接口與上位機軟件進行通信，從而可以方便地對變送器進行參數(shù)設(shè)定和組態(tài)。

3 軟件設(shè)計流程圖

變送器的軟件設(shè)計包括傳感器信號采集模塊、溫度補償模塊、線性擬合模塊、壓力值計算模塊、DAC輸出控制、UART通信模塊等幾個部分。變送器系統(tǒng)的線性度和溫度影響量是影響整個儀表系統(tǒng)精度的重要指標(biāo)之一，通過事先建好的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過一系列的算法，將原始采集的A/D數(shù)據(jù)進行溫度補償和線性化補償，使得補償后的數(shù)據(jù)具有線性化誤差和溫度誤差最小的特點。然后再根據(jù)用戶標(biāo)定時設(shè)定的量程來換算出對應(yīng)的輸出電流信號。圖3為變送器軟件設(shè)計的主程序流程圖。

圖3 變送器軟件模塊主程序流程圖

4 結(jié)束語

針對工業(yè)過程控制系統(tǒng)中對小巧型高性價比智能變送器的需求，給出了一種利用ADuCM360與XTR115構(gòu)成的智能壓力變送器電路設(shè)計方法。經(jīng)實測表明采用該方案制成的壓力變送器精度可達0．1%F．S，量程比為10∶1，溫度影響量小于0．1%/10℃．該方法采用高集成度單芯片方案代替了多芯片設(shè)計，大大提高了電路板模塊的集成度，縮小了電路板體積，同時又具有低價格、智能化、高性價比等特點，在工業(yè)測量中具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]樊寬林．我國壓力變送器的產(chǎn)品現(xiàn)狀和出路．自動化儀表，2007，28(9)：92-93．

[2]閆超，李忠醒，毛超明，等．硅壓阻式傳感器智能數(shù)字補償系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2010(11)：10-12．

[3]ADuCM360/ADuCM361 Data Sheet(Rev B)．[2013-07-07]．http：//www．a(chǎn)nalog．com．

[4]XTR115，XTR116：4-20 mACurrent Loop Transmitters (Rev．A)(2003-07-21)http：//www．ti．com/product/xtr115．

[5]昝勇，羅永紅，王沛瑩．XTR115電流環(huán)電路原理及應(yīng)用．電子設(shè)計工程，2011，19(8)：190-191．

作者簡介：周光兵(1980-)，主要從事工業(yè)自動化儀表與測控系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。E-mail：jun．luo@analogsystems．com．cn

羅軍(1976-)，工程師，主要從事工業(yè)自動化儀表與測控系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。E-mail：jun．luo@analogsystems．com．cn