摘 要：壓力測控系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用中常見的應(yīng)用模塊之一，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)的各種測控系統(tǒng)中。本文介紹基于Freescale公司生產(chǎn)的壓力傳感器MPxM2010、微控制器68HC908QT4等低成本器件設(shè)計(jì)的壓力測控系統(tǒng)，并在硬件成本幾乎不增加的情況下，通過搭配簡單的模擬電路和軟件上的編程，增加系統(tǒng)測量精度。文中對精度改進(jìn)前后的系統(tǒng)做了數(shù)值計(jì)算上的比較，從具體數(shù)值上說明系統(tǒng)精度有明顯的提高。文中介紹的方法還可應(yīng)用于A/D轉(zhuǎn)換的其他應(yīng)用環(huán)境，對降低系統(tǒng)成本大有裨益。 關(guān)鍵詞：68HC908QT4 MPxM2010硅壓阻傳感器 A/D轉(zhuǎn)換精度提高 引 言 　　Freescale公司生產(chǎn)的MPXM2010器件是一種硅壓阻式壓力傳感器。MPXM20lO精度很高，輸出電壓與輸人的壓力具有良好的線性關(guān)系。這種傳感器是一塊單片集成電路，集成有壓力應(yīng)變儀及膜阻網(wǎng)絡(luò)，并帶有激光式微調(diào)模塊進(jìn)行溫度補(bǔ)償和偏移佼正微控制器68HC908QT4則是一款低端的8位微控制器，有4路8位的A/D轉(zhuǎn)換通道和16位的PWM模塊，可以用于A/D和D/A轉(zhuǎn)換。 　　將兩種芯片結(jié)合到一起可組成一套實(shí)用的低成本壓力測控系統(tǒng)。美中不足的是它的精度低了一些，如果將A/D位數(shù)提高則會使成本大大增加。通過硬件搭配和軟件上的編程可以彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，即不增加硬件開銷而且可以提高產(chǎn)品性能。 1 壓力傳感器模塊設(shè)計(jì) 　　Freescale公司生產(chǎn)的MPXM2010器件是一種硅壓阻式壓力傳感器，其內(nèi)部原理如圖l所示。MPXM2010精度很高，輸出電壓與輸入的壓力具有良好的線性關(guān)系。這種傳感器是一塊單片集成電路，集成有壓力應(yīng)變儀及膜阻網(wǎng)絡(luò)，并帶有激光式微調(diào)模塊進(jìn)行溫度補(bǔ)償和偏移校正。 　　MPXM2010特點(diǎn)如下： 　　◇壓力測量范圍為O～10 kPa，精度可達(dá)士O.01 kPa; 　　◇在O～85℃之間具有溫度補(bǔ)償功能; 　　◇輸出信號與壓力的線性關(guān)系良好; 　　◇傳感器接觸面可選擇是否帶引出管口; 　　◇有Tape&Reel的易用封裝形式，具體樣圖如圖2所示。 　　MPXM2010的輸出信號比較弱，需要另加1片MOC2A60，將小信號放大，直流變?yōu)榻涣?。這樣就可以直接控制電機(jī)切斷或是接通電源。在調(diào)試模塊時，將各部分分離開來便于調(diào)試。運(yùn)放采用MC33179，再配接一些電阻，就可以把壓力傳感器的信號輸出，并且可以通過調(diào)節(jié)阻值來調(diào)節(jié)輸出信號的大小。圖3和圖4是壓力傳感器模塊設(shè)計(jì)的原理圖和PCB板圖。 2 壓力測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其精度改進(jìn) 　　2.1 直聯(lián)式壓力測控系統(tǒng) 　　通常情況下，使用68HC908QT4的A/D模塊即可完成設(shè)計(jì)，只要把壓力傳感器模塊的輸出端接至68HC908QT4的A/D模塊輸入端即可。圖5給出了壓力測控系統(tǒng)的框圖。 　　 　　微控制器68HC908QT4特點(diǎn)如下： 　　◇4 KB Flash存儲器、128 B的RAM存儲器; 　　◇4路8位A/D轉(zhuǎn)換器、16位PWM模塊; 　　◇價格便宜，批量1000片以上每片的價格可降至1美元以下。 　　MPXM2010測量范圍為0～10 kPa，將其輸出電壓信號限制在0～5 V，則其精度為： 　　S=5 V/10 kPa=500 mV/kPa 　　68HC908QT4的A/D為8位，電壓限制5 V，則其精度為： 　　R=5 V/（20—1）bit≈19.61 mV/bit 　　整個系統(tǒng)的壓力精度為： 　　R/S=19.61/500 kPa/bit=0.039 22 kPa/bit 　　如果要提高精度，將A/D升為10位，則精度為： 　　R/S=O.03 922X（28—1）/（210—1）kPa/bit=0.009 776 kPa/bit 　　A/D升為12位后，精度為： 　　R/S=0.039 22×（28—1）/（212—1）kPa/bit=0.002 442 kPa/bit 　　這樣做確實(shí)可以提升精度，但要增加硬件的開銷。利用68HC908QT4的PWM模塊作為D/A轉(zhuǎn)換器，可以巧妙地提高A/D變換的精度。 　　2.2 改進(jìn)后的壓力測控系統(tǒng) 　　誤差產(chǎn)生的原因就是在A/D處，將小數(shù)點(diǎn)后的部分舍去，比如176.51 bit會當(dāng)作176 bit來處理。解決問題也應(yīng)該從這里人手，把誤差縮小。 　　誤差的引出可以用D/A來解決，把A/D讀進(jìn)來的數(shù)據(jù)再用D/A處理一次送出來，和原來的數(shù)據(jù)做一次減法就可以得到。誤差沒法直接再送回A/D，但可以將其放大后再送回，再使用68HC908QT4中的另一路A/D將放大后的誤差進(jìn)行A/D變換，MCU得到結(jié)果后縮小相同的倍數(shù)，與原A/D變換結(jié)果相加，便是更精確的結(jié)果。圖6中，整個系統(tǒng)可分為壓力傳感器模塊、模擬部分、單片機(jī)部分和輸出電路部分，精度提高的關(guān)鍵在模擬部分的設(shè)計(jì).如圖7所示。假設(shè)放大器G的放大倍數(shù)為10。A/D的性能本身并沒有提升，精度仍為R=19.61 mV/bit，這個值也就是極限值。放大10倍后，原來的最大誤差19.6l mV/bit被擴(kuò)大為196.1 mV/bit，A/D處理的是放大后的數(shù)據(jù)，其能力就被放大了10倍。數(shù)據(jù)處理時又會將其除以lO恢復(fù)，從整體上來看就好像精度R除以10了一樣，變?yōu)?.961 mV/bit。 　　例如：初始A/D變換的誤差為10 mV，經(jīng)過放大后變?yōu)?00 mV，此時再經(jīng)過A/D變換，第二次遺留的誤差為100 mV一19.61 mV/bit×5 bit=1.95 mV，再除以10后變?yōu)?.195 mV。誤差大大地減小了，其極限值就是原精度的十分之一。 　　G的放大倍數(shù)可以自己調(diào)整，但要符合所選微處理器的性能以及電路本身的精度，選的過高沒有實(shí)際意義。 　　圖7所示的電路中，Vm、D、Vc與圖6所示相同。其中D的計(jì)算值為： 　　D=（Vm—Vc）×（R14/R13）[l+（R17/R16）] 　　G的放大倍數(shù)為（R14/R13）[1+（R17/R16）]。 結(jié)語 　　在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，成本是很重要的因素。巧妙地利用微控制器內(nèi)的模塊，輔助以相應(yīng)的簡單模擬電路，可以大大提高芯片的利用效率，并能提升系統(tǒng)性能。多利用手頭的東西進(jìn)行改進(jìn)再創(chuàng)造，往往能得到事半功倍的效果。