來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用  作者：清華大學(xué) 安鵬

摘  要：壓力測(cè)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(cè)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(cè)控系統(tǒng)，并在硬件成本幾乎不增加的情況下，通過(guò)搭配簡(jiǎn)單的模擬電路和軟件上的編程，增加系統(tǒng)測(cè)量精度。文中對(duì)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(shuō)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(duì)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(cè)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(huì)使成本大大增加。通過(guò)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(cè)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(hào)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(hào)比較弱，需要另加1片MOC2A60，將小信號(hào)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(shí)，將各部分分離開來(lái)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(hào)輸出，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)阻值來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)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(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其精度改進(jìn)

2.1  直聯(lián)式壓力測(cè)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(cè)控系統(tǒng)的框圖。

微控制器68HC908QT4特點(diǎn)如下：

◇4 KB Flash存儲(chǔ)器、128 B的RAM存儲(chǔ)器；

◇4路8位A／D轉(zhuǎn)換器、16位PWM模塊；

◇價(jià)格便宜，批量1000片以上每片的價(jià)格可降至1美元以下。

MPXM2010測(cè)量范圍為0～10 kPa，將其輸出電壓信號(hào)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(gè)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(cè)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(huì)當(dāng)作176 bit來(lái)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(lái)解決，把A／D讀進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)再用D／A處理一次送出來(lái)，和原來(lái)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