1、引言 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的日益普及，數(shù)字傳感器系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字式傳感器是該系統(tǒng)的重要組成部分。選擇高性能、具有數(shù)字接口的信號(hào)調(diào)理器是數(shù)字傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。ZMD31050是一款高精度橋式傳感器信號(hào)處理CMOS集成電路，以它為核心的數(shù)字傳感器可以在多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量信號(hào)的補(bǔ)償與校正，并可將測(cè)量信號(hào)以數(shù)字信號(hào)方式輸出，且外圍電路簡(jiǎn)單。ZMD31050幾乎適用于所有橋式傳感器。 2、ZMD31050介紹 2.1基本性能指標(biāo) 電源電壓：+2．7 V～+5．5 V； 輸入信號(hào)：1 mV／V～275 mV／V； 多種輸出方式可供選擇：電壓（0 V～5 V），電流（4 mA～20 mA），PWM，I[sup]2[/sup]C，SPI，ZACwire[sup]TM[/sup]（一線接口），報(bào)警輸出； 橋式傳感器的激勵(lì)源可選：比例電壓、恒壓模式或恒流模式； 高精度：～25℃+85℃時(shí)的誤差為0．1％，-40℃～+125℃時(shí)的誤差為0．25％； 可對(duì)傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償； 輸出分辨率最高為15位，可選擇相對(duì)應(yīng)的采樣頻率（最多3．9 kHz）； PC通過(guò)數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)器件的配置和校準(zhǔn)。 2.2工作原理 圖1為ZMD31050的工作原理圖，各模塊功能如下： PGA：可編程增益放大器： MUX：多路器： ADC：A/D轉(zhuǎn)換器： CMC：校準(zhǔn)控制器： DAC：D／A轉(zhuǎn)換器： FIOI：可選101：模擬輸出（電壓/電流），PWM2 （脈寬調(diào)制）ZACwire[sup]TM[/sup]（一線接口）； F102：可選102：PWMl．SPI．SPI從機(jī)選擇． Alarml、Alarm2串行接（I[sup]2[/sup]C．時(shí)鐘）： PCOMP：可編程比較器； EEPROM：用于校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置和校準(zhǔn)配置： TS：片上溫度傳感器： ROM：存放校準(zhǔn)模式： PWM：脈寬調(diào)制模式。 ZMD31050具有內(nèi)部EEPROM，共包含32個(gè)16位地址空間。ZMD31050工作所必需的32個(gè)參數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM中。其中。22個(gè)校準(zhǔn)常量用于傳感器信號(hào)的計(jì)算校準(zhǔn)，7個(gè)參數(shù)用于配置應(yīng)用程序，1個(gè)CRC字（word）用于檢查EEPROM內(nèi)容的正確性，另外還有2個(gè)16位的字供用戶自由使用。 每次上電后：EEPROM中的內(nèi)容被復(fù)制到RAM中。根據(jù)RAM中的配置，器件自動(dòng)完成信號(hào)調(diào)理過(guò)程。首先，橋式傳感器傳遞出的信號(hào)在PGA中進(jìn)行預(yù)放大，MUX將該信號(hào)與外部二極管或分立溫度傳感器信號(hào)按照某種序列傳送給ADC單元，ADC單元對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。然后，CMC根據(jù)ROM中存放的校正公式和EEPROM中存放的校準(zhǔn)參數(shù)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行校正。根據(jù)配置，傳感器信號(hào)以模擬量、數(shù)字量或PWM的形式輸出，輸出信號(hào)由串行接口及FIO1、FIO2提供。 表1為：EEPROM和RAM中的參數(shù)分配與指令。數(shù)據(jù)配置和參數(shù)校準(zhǔn)可以通過(guò)數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)。 2.3引腳功能 圖2為ZMD31050的引腳排列。其引腳功能描述如表2所列。 3、數(shù)字式氣壓傳感器系統(tǒng)應(yīng)用 3.1硬件設(shè)計(jì) ZMD31050接收來(lái)自前端橋式傳感器的微弱模擬信號(hào)，將這一信號(hào)放大，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換、補(bǔ)償與校正后以數(shù)字信號(hào)形式傳給后端微處理器。微處理器獲取信號(hào)并進(jìn)行處理。串口電平轉(zhuǎn)換器MAX232完成電平轉(zhuǎn)換。從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與PC機(jī)的通信。 圖3所示為基于ZMD31050的數(shù)字式氣壓傳感器應(yīng)用系統(tǒng)框圖。J1為橋式壓力傳感器與ZMD31050的接口，J2是系統(tǒng)供電電源接口，J3為系統(tǒng)與PC機(jī)接口。橋式壓力傳感器與ZMD31050簡(jiǎn)單連接即構(gòu)成了數(shù)字式氣壓傳感器，主要應(yīng)用于觀測(cè)氣體壓力的變化。其中，橋式壓力傳感器選用美國(guó)Silicon Microstructures公司的SMI5502-015一A。該器件量程為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，滿足目標(biāo)測(cè)量要求。采用恒壓源供電，輸出微弱的電壓信號(hào)，便于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本數(shù)字式氣壓傳感器對(duì)溫度無(wú)特殊要求，溫度測(cè)量選擇內(nèi)置溫度二極管。經(jīng)ZMD31050調(diào)理過(guò)的信號(hào)通過(guò)數(shù)字串口以15位數(shù)字信號(hào)的形式輸出。 外接的微控制器與其外圍的晶體振蕩器、看門(mén)狗、MAX232構(gòu)成微控制系統(tǒng)。其中，外接微控制器為51系列單片機(jī)中的AT89C4051，可滿足全部數(shù)據(jù)處理和通信的要求。晶振Y1選擇11．0592 MHz，為AT89C4051提供時(shí)鐘信號(hào)。X5045為AT89C4051工作產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。MAX232完成電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)AT89C4051與上位機(jī)通信。 數(shù)字式氣壓傳感器與微控制系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)字式氣壓傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)采用+5 V電源供電。數(shù)字式氣壓傳感器支持I2C通信模式，由SDA、SCL線經(jīng)上拉后與后端微控制器系統(tǒng)連接。通信過(guò)程中，ZMD31050為從機(jī)模式，其默認(rèn)通訊地址為0x78。 3.2軟件設(shè)計(jì) 數(shù)字式氣壓傳感器應(yīng)用系統(tǒng)選用AT89C4051為外部微控制器。由于AT89C4051內(nèi)部沒(méi)有I2C模塊，因此，需要通過(guò)I／O口模擬I2C與數(shù)字式氣壓傳感器中的ZMD31050進(jìn)行通信。 傳感器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：內(nèi)部EEPROM的配置、測(cè)量值的讀取和處理、與上位機(jī)通信。而這三部分功能都由外接控制器編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在AT89C4051中編程，向ZMD31050發(fā)送相關(guān)指令（詳見(jiàn)表1），可以配置和修改EEPROM或RAM中的各項(xiàng)參數(shù)。配置和修改完成后，須發(fā)送特定指令激活所做的配置和修改，并開(kāi)始測(cè)量循環(huán)。ZMD31050就可以根據(jù)最新配置的參數(shù)對(duì)傳感器采集到的模擬氣壓信號(hào)進(jìn)行放大、A／D轉(zhuǎn)換、校正和補(bǔ)償。傳感器的最終測(cè)量結(jié)果為按照配置處理好的數(shù)據(jù)，它們將被不間斷地送到ZMD31050的串口寄存器。 在AT89C4051中編寫(xiě)"讀操作"程序，可獲得串口寄存器的測(cè)量值。先得到數(shù)據(jù)的高字節(jié)，再得到低字節(jié)。除非ZMD31050接收到配置EEPROM或RAM內(nèi)容的指令，否則，只要"讀操作"不停止，就可以不間斷讀取測(cè)量值。在AT89C4051中可以編寫(xiě)簡(jiǎn)單的軟件濾波程序處理讀取的數(shù)據(jù)。 另外。在AT89C4051中還要編寫(xiě)程序?qū)⑻幚磉^(guò)程的數(shù)據(jù)通過(guò)串口送出，并接收來(lái)自上位機(jī)的指令，即通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。 4、結(jié)束語(yǔ) 數(shù)字傳感器是傳感器發(fā)展的趨勢(shì)，ZMD31050作為一款高效的信號(hào)調(diào)理可將傳感器信號(hào)以數(shù)字形式輸出，更重要的是，傳感器信號(hào)的偏移、靈敏度、溫漂和非線性可以有效進(jìn)行補(bǔ)償和校正，目前基于ZMD31050的數(shù)字式氣壓傳感器系統(tǒng)已經(jīng)在地震前兆輔助觀測(cè)領(lǐng)域中投入使用，其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值得在其他橋式傳感器設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。