采用扩散硅压力传感器、微功耗A /D、微功耗LCD显示器、微功耗MCU及数字校准等技术，设计 了新型就地指示压力表。设计采用了 A/D基准自动补偿及温度补偿技术，仪表具有显示清晰直观、耐振 动、精度高及寿命长等优点。

0.引言

随着硬件和软件技术的快速发展，自动化系统已经基 本上趋于计算机化。但很多现场指示仪表的数字化速度却 相对较慢，这主要是由于现场供电条件、仪表功耗及成本等 原因的制约。近年来，低压和低功耗器件的大量出现已经 催生出了许多电池供电的现场指示仪表，典型的就是各种 流量累计仪表，如，民用的煤气表、工业上的流量累计器。 本文作者设计的数字式现场指示压力表，即适应了这种发 展趋势，设计的要求是0. 3 %精度、低成本、数字显示;能够 适应各种环境;一节2000mA. h/3. 6V的5号锂电池能够 连续工作3 a以上。

1.硬件设计

图1为系统原理框图，根据要求设计，系统中，所有元 器件都选择了低功耗的产品。系统硬件大体分为前置的压 力传感器、放大变换、A /D转换和MCU控制部分及MCU外 围的LCD显示、电压监控、设定按键及EEPRCM这两部分 组成。

1. 1采集及控制部分设计

采集及控制部分是本设计的特色部分，电路采用了 3. 6V电池单电源直接供电。压力传感器采用了恒压供电 的扩散硅传感器，内阻为6k3，输出灵敏度为6mV/V。考 虑到成本，放大器采用了 TI的TLV2711，TLV2711具有微 功耗、低漂移和低压满幅输出特性。A/D采用了 TI的 ADS1100，它具有差动输入通道、双极性输出、前置程控放 大器和fC接口，是16位低成本的乙-A型模数转换器[1]， 能够保证高精度的数据采集任务。控制MCU选择了新型 51兼容单片机P87LPC764m，它是2倍速的51内核，电源 监控、复位、看门狗和时钟内置，同时，具有多种低功耗操作 方式，本设计中，它工作于内置时钟模式。

为保证系统的整体低功耗，采样设计为间歇方式，即约2s采样一次。如图2，传感器和放大部分的电源是由MCU 的P1. 7 口控制的，只有采样转换期间才为这部分电路供 电，其他大部分时间关闭电源。由图2还可以看到:系统没 有对电源进行稳压，对传感器供电也没有稳压，这样的设计是利用了 ADS1100本身的特点,即它使用电源做为基准 源，电池电压变化时，传感器输出灵敏度变化与A/D输出 变化相抵消。

TLV2711被设计成差动输入方式，同时，加入了 LM285 的1. 2V基准做输出偏移，以使输出信号的范围满足A/D 转换器的输入要求。ADS1100被设计为单次转换方式，转 换结束即进入待机状态，权衡转换精度和转换速度后，它的 输出刷新时间设计为32SPS,能够获得14位转换精度，单 转换周期约30ms,对电源的能量要求较小。ADS1100的前 置放大器设定为8倍,整个模拟部分的放大倍数由 TLV2711根据传感器具体情况来调整。

1. 2 MCU和LCD显示器及其他外围部分设计

P87LPC764设计成由看门狗中断唤醒的掉电模式,同 时，掉电检测和EPROM模拟部分供电关闭。考虑到本设 计的目标是独立的电池供电小系统，同时，MCU又具有比 较强的抗干扰能力，这里没有使用看门狗的复位功能，而是 把它设置成了中断方式，利用它独立的振荡器，约2 s中断 唤醒一次MCU，MCU做一次采样和显示处理工作后进入掉 电状态，等待看门狗的下一次唤醒。

显示器采用了定制的LCD模块,它使用串行方式操 作，可以显示4个字高为14mm的8字字符，器件典型功耗 为4^A/3. 3V。选择使用了微功耗的R3111E芯片作为电 源电压监测，如果电池电压低于2 6V,则显示o”提示 用户更换电池。

系统设计使用了一片EEPRCM来存储数字校准参数， 采用了号称零待机功耗的CSE4WC02芯片，它与ADS1100 公用fC接口，操作简单。为保证检测的精度，设计了数字 校准方案，软件为传感器的全量程设计了 4个均分的校准 段，将5个校准点的校准值存入了 EEPROM中，实际测量 时，以这些参数做分段线性化计算，从而保证了比较高的测 量精度。表内还设置了 3个微动小按键，用来配合校准软 件完成数字校准过程。

考虑到成本因素，传感器采用的是廉价的OIM产品, 它本身的温度漂移偏大。系统设计了一片LM75温度芯 片，与ADS1100及CSE4WC02公用一组f C接口，它直接 与传感器焊接在一块小线路板上，置于传感器顶端，对传感 器的温度漂移进行补偿。传感器出厂附带温度试验结果表 格，在-40〜50 "C范围内，每5 "C提供一组传感器的零点和 满度输出。本机软件把整个量程分4段温度区间进行插值 法补偿,具体为-40〜-15 'C, - 15〜10 'C, 10〜25 'C, 25〜50 C 4段,5个折点参数出厂前设置到EEPROM中。

2. 软件设计

软件采用C51编制,由主程序、看门狗中断程序等组 成。主程序完成系统初始化、采样、计算、显示、校准及协调 任务;看门狗中断程序是一个空函数，功能是完成MCU唤 醒工作。整体软件分工明确，这里略去烦琐的软件框图和 具体程序，仅介绍主程序中的采集处理函数和温度补偿与 结果处理函数的工作过程。

采集处理函数本身是一个死循环体，它完成了间歇采 样显示及电压检测处理等功能，依赖看门狗中断唤醒，约 2 s被唤醒一次，它本身执行一次。这个函数充分体现了能 量控制的特点，具体特点有:MCU被唤醒后首先要给传感 器供电，为保证模拟部分进入稳定工作状态，需要10ms稳 定时间，软件及时给MCU降频,降至60 kHz的速度,保证 在延时期间MCU处于极低功耗状态;开始转换前，把MCU 的工作频率调整到1MHz,使MCU在能够保证处理速度的 前提下又保证较低的功耗；A/D结束采样后，马上关闭模 拟部分电源;刷新完显示，并做一次电池电压检测和温度检 测;然后，做温度补偿与结果处理。至此，一个处理循环结 束,MCU马上进入微功耗掉电模式，掉电后，等待看门狗溢 出中断唤醒。

温度补偿与结果处理函数是根据传感器和温度采样结 果计算实际压力。温度补偿是本设计的一个重点内容，由 于传感器4个桥臂电阻在扩散时产生的微小不一致，导致 它的零点与满度输出随温度产生漂移，如果不补偿，这个误 差在-40〜50 C的范围内最大会达到3 %以上。传感器实 际的温度漂移基本不影响它的线性度，因此，实际的传感器 补偿计算为两次插值法。补偿函数中，第一次插值是根据 出厂在EEPROM中存储的4段零点与满度温度鍮出关系 表格，计算出当前温度的实际零点与满度。再把获得的当 前温度下的传感器零点/满度值与当前压力输出采样值按 照线形比例关系放大或缩小，平移到传感器的已校准后的 特性曲线上。然后，根据按比例修正后的传感器输出做第 二次插值计算，求出最终经过了温度补偿和线性补偿的压 力结果。

3.测试结果

表1为用2MPa量程，0. 3 %线性传感器制作的数字式 压力表的测试结果。传感器校准环境温度为17 C,湿度为 54%RH。测试环境温度为28 C,湿度为68 %RH,校准主 要设备为Druck的DP1605压力校验仪,精度为0. 025 %。 实验测试结果表明:压力表精度达到了 0. 1。/。以上,达到了 本设计的预期要求。

另一个重要指标是功耗，测试条件为3. 6V直流电源 供电。由于系统工作于间歇状态，测试它的休眠工作电流 比较容易，而测试瞬时工作电流比较麻烦。休眠电流用万 用表直接测得，数值为14 pA。瞬时电流采用特定编程，模 拟固定采样状态，禁止MCU掉电方法测得，数值为 1 085 ^A。使用仿真软件测试出每个采样过程的非休眠时 间约为50ms，可以计算出每个2 s采样周期中，系统平均电 流约为40 pA。由于电池的标称电压为3. 6V，实际使用时大部分时间会在这个电压以下工作，故以电池终点放电残 余10 %电量估算，一节2 000mAh/3. 6V的5号锂电池理论 上能够保证连续工作5 a，考虑到电池自放电因素，也可以 保证连续工作3 a以上，达到设计要求。

4.结束语

采用本方法设计的压力表已经形成产品，并成功应用 于工业现场，由于采用全电子式结构，无可动部件，具有精 度高、耐振动及寿命长等特点，能够在高要求场合全面替代 机械式指针仪表。本文提出的微功耗硬件设计和相应软件 控制方法对于类似的现场低功耗产品设计具有借鉴和参考 价值。