（电气工程专业论文）便携式数字压力校验仪的研制.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 t h e d e v e l o p m e n t o f t h ep o r t a b l e d i l g i t a lp r e s s u r ec a l i b r a t i o n a b s t r a c t t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fap r e s s u r et r a n s m i t t e rp l a y sac r i t i c a lr o l ei ni n d u s t r i a l p r o c e s s c o n t r 0 1 a sat e s t i n ga n dc a l i b r a t i n g d e v i c e ，p r e s s u r ec a l i b r a t o r i s a b s o l u t e l y n e c e s s a r yi nt h i sp r o c e s s t h et r a d i t i o n a lc a l i b r a t o rf o rp r e s s u r es e n s o ra n dt r a n s m i t t e ri s h u g ei nv o l u m ew i t hc o m p l i c a t e dp r o c e d u r e ，w h i c hc a nn o ts a t i s f yt h ef i e l dn e e df o ri t s i n c o n v e n i e n c e i nr e c e n ty e a r s ，s o m ef o r e i g nc o m p a n i e sh a v ed e v e l o p e dn e wp o r t a b l e p r e s s u r ec a l i b r a t o r s ，a n dt h e r ei s s t i l law i d eg a pb e t w e e np r e s s u r ec a l i b r a t o r sm a d ea t h o m ea n da b r o a db o t hi nq u a l i t ya n di na c c u r a c y t h e r e f o r e ，e v e ni ft h ep r i c eo f f o r e i g n p r o d u c t si sm u c hh i g h e rt h a nt h a tm a d ed o m e s t i c a l l y ，t h ef o r e i g np r o d u c t si ss t i l lh i g h l y c o m p e t i t i v ea n d c o v e r sm o s t p a r to f m a r k e ts h a r e i ti sa t lu r g e n tt a s kf o ru st od e v e l o po a r o w nf i r m ，d u m b l ea n de a s y - t o w o r k p o r t a b l ep r e s s u r ec a l i b r a t o rt oo c c u p yo u rd o m e s t i c m a r k e t an e w p o r t a b l ep r e s s u r ec a l i b r a t o ri sd e v e l o p e dw h i c h b a s e do ns i - d i f f u s e dp r e s s u r e s e n s o ra n dp r o c e s s o ro fh j 【g h a c c u r a c y b ya d o p t i n gs e p a r a t e s t r u c t u r eo fp r e s s u r e g e n e r a t i o nb u m pa n dm a i n f r a m e ，i tc a l l b eu s e df o rc a l i b r a t i o na n dm a i n t e n a n c ef o r p r e s s u r eg a u g e ，p r e s s u r es e n s o r ，t r a n s m i t t e r , l e v e lm e t e ra n do t h e rp r e s s u r ei n s t r u m e n t t h e a d v a n c e dt e c h n o l o g ya n du n i q u ec r e a t i v i t yo ft h i s p r o d u c tc o n t r i b u t e i t s h i g hq u a l i t y ， w h i c hc a n c o m p e t e 谢mf o r e i g np r o d u c t s t h en e w d e v e l o p e dp r e s s u r ec a l i b r a t o rc a ns t i l lw o r ko u t s i d el a b o r a t o r ya n dw o r k i n g a r e at oa s s u r et h e v a l i d i t yo f i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m b y t h eg r e a t e s te x t e n t t h el a u n c ho f t h ep o r t a b l ep r e s s u r ec a l i b r a t o rg r e a t l ya l l e v i a t e sl a b o ri n t e n s i t yo f o p e r a t o r sa n dg r e a t l y i m p r o v e s t h e i rw o r k i n g e f f i c i e n c ya n dp r e c i s e n e s s b a s e do ng o o dc o m m a n do fp e r f o r m a n c ea n dp e r f e c t a p p e a r a n c ea n di t su n i q u e a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d ，t h ep r o d u c t h a sc o m p e t i t i v ep r i c et oe n s u r et h es u c c e s s f u lm a r k e t p r o s p e c t k e yw o r d s ：p r e s s u r ec a l i b r a t i o n ，s e n s o r ，m i c r o p r o c e s s o r ，s o r w a r ec o m p e n s a t i o n 2 独创性说明 本人郑重声明：所璺交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及敢褥静骚究残采。尽我掰翔，除了文争蒋羽翔滚标；室稻致滚魄逮方 外，论文中不包含其她人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：进薹超日期：趣照! 生 关于论文使用授权的说明 _ 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密腻直遵循此靓定) 签名：边塞超导师签名： 日期：炒毒善 沈阳工业大学硕士学位论文 插图或附表清单 图l传感器输出特性 图2校验仪结构框图 图3a d 7 7 1 4 与8 9 c 5 2 的接口电路 图42 4 v 输出的原理图 图5充电器的电原理图 图6y 0 3 9 结构示意图 图7y 0 6 0 结构示意图 图8q n y i 2 型充电电池的充电容量一电池电压图 图9q n y l 2 型充电电池的放电容量一电池电压图 图1 0 主程序框图 图1 1 测压力子程序框图 图1 2 测电流子程序框图 图1 3a d 7 7 1 4 程序设计的主要流程图 图1 4 主机外形图 图1 5 压力电流现场监测连接图 图1 6 压力电压现场监测连接图 表1课题目标产品与国外同类产品指标对比 表2a d 5 9 0 的工作参数 表3e d m l 6 0 2 b 的接口信号 表4指令寄存器( i r ) 和数据寄存器( d r ) 表5快速充电的结束方法 表6实验设备统计表 表7t # 样机温场测试数据 表8l # 样机电压电流的标定 ， ， 坫 悖 引 ” 弘 弼 叭 鸵 钉 如 如 0筋m如钙“ “ 沈阳工业大学硕士学位v e s t 表91 # 样机压力验证 表1 01 # 样机加压试验后，压力验证值 表l ll # 样机电压电漉档的验证 表1 22 # 样机温场测试程序 表1 32 # 样机电压电流的标定 表1 42 # 样机压力验证 表1 52 # 样机加压试验后，压力验证值 表1 62 # 样机电压电流档的验证 表1 7 基本误差的规定 2 甜 钙 躺 舶 舶 盯 舄 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 压力变送器和传感器是工业过程控制中必不可少的检测仪表。随着我国国民经 济特别是工业企业的发展，压力变送器的用量逐年增加。而压力变送器工作的稳定 性、可靠性在工业过程控制中至关重要。作为压力变送器及传感器的检测校验设 备，压力校验仪是必不可少的。传统的压力变送器和传感器的检测设备体积庞大， 环节复杂，操作不方便，不能满足工业现场的使用要求。这使得开发研制具有坚 固、耐用、容易操作和携带方便等特点的便携式压力校验仪成为当务之急。 近年来，国外涌现了很多便携式压力校验仪，而国内生产的压力校验仪在质量 与精度等水平上与国外的差距较大。所以，在国外生产的便携式数字压力校验仪价 位较高的情况下，国内的产品与国外仍然无法竞争，绝大多数的市场被国外的产品 占领。便携式压力校验仪的市场相当大，只要产品在性能和外观上进行改进和提 高，与国外的产品缩小差距，同时在价格上具有竞争力，那么市场前景非常看好。 源于这种思想，在大量考察国内外同类产品的基础上，向沈阳仪表科学研究院 提出产品立项的申请，并得到了院方的批准和大力支持。 本课题所要研制的便携式数字压力校验仪，是以高精度扩散硅压力传感器及微 处理器为基础的，它将采用加压泵与主机分体的结构，用于压力表、压力传感器、 变送器、静压式液位传感器以及其他与压力有关的仪器仪表的校验与维修，其尖端 技术、新工艺和独特的创造性使测试精度等各项指标均达到国外同类产品水平，而 具有国外产品无法比拟的性能价格比。 为了使压力校验仪具有精度高、稳定性优良、回差小、灵敏度高等优良特性， 设计中应该采用高精度扩散硅压力传感器，配以精良的低功耗电路设计及软件补 偿、模块化监控设计，并全面考虑技术指标中所提出的各项要求，在实现功能保证 精度的前提下努力实现小型化、低成本和低功耗，整机采用分体式设计思路，利用 手操泵加压，双排液晶显示，另外需要设计加工小巧精致的壳体，体现便携的特点， 使本校验仪成为冶金、石油、化工、电力、环保等大量应用部门及自动化仪表车 间、制造厂的有关工作人员最得力的助手。 3 沈阳工业大学硕士学位论文 i 研究综述 1 1 研究的目的、意义和要解决的问题 随着微电子技术的发展，智能仪表技术正渗透到各行各业。便携式智能仪表技 术的发展和应用正成为一种历史潮流，它正日益改变着各行各业的面貌。压力测量 仪器在这样的历史条件下，也在不断更新换代，走智能化的发展道路。 压力变送器和传感器是工业过程控制中必不可少的检测仪表阻1 。随着我国国民 经济特剐是工业企业的发展，压力变送器的用量逐年增加。而压力变送器工作的稳 定性、可靠性在工业过程控制中至关重要。作为压力变送器及传感器的检测校验设 备，压力校验仪是必不可少的。传统的压力变送器和传感器的检测设备体积庞大， 环节复杂，操作不方便，不能满足工业现场的使用要求。这使得开发研制具有坚 固、耐用、容易操作和携带方便等特点的便携式压力校验仪成为当务之急。 便携式数字压力校验仪是以微处理器为基础，配有手操压力泵和柔性键盘，电 池组供电的智能压力校验仪表。作为新一代的压力计量显示仪表，主要用于压力 表、压力传感器、变送器、静压式液位传感器的校验，在远离实验室、工作基地的 现场环境仍能可靠工作，最大限度地保证了工业控制、监测系统的工作有效性0 1 。 近年来，国外涌现了很多便携式压力校验仪，而国内生产的压力校验仪在质量 与精度等水平上与国外的差距较大。所以，在国外生产的便携式数字压力校验仪价 位较高的情况下，国内的产品与国外仍然无法竞争，绝大多数的市场被国外的产品 占领。 便携式压力校验仪的市场相当大，只要产品在性能和外观上进行改进和提高， 与国外的产品缩小差距，同时在价格上具有竞争力，那么市场前景非常看好。 源于这种思想，在大量考察国内外同类产品的基础上，向沈阳仪表科学研究院 提出产品立项的申请，并得到了院方的批准和大力支持。 d 沈阳工业大学硕士学位论文 1 - 2 相关领域的现状和发展评述 1 2 1 国内状况 在本课题的确立过程中，作者一直关注着该领域的发展进程。 无论是过去还是现在工业生产中，压力都是一个非常重要的参数。我国的压力 仪表行业，经历了从无到有、从小到大、从单一产品到系列产品的不断发展过程。 广泛应用于冶金、电力、石油、化工、轻纺、机械和国防领域中。特别是随着微型 传感技术在压力中的应用，一些轻便灵活、灵敏度高、量程广、适用环境能力强的机 电一体化产品开辟了更加广阔的前景。为此，社会要求计量公证部门能更加及时地解 决一些现场的、随机的、动态的、高要求的压力测量。众所周知，目前大多数企业、 计量部门所使用的设备为活塞压力计。配套测量设备品种多、杂、体积大、重量 重，携带不便，现场测试困难，更谈不上从事现场、动态的及超低压、负压、真空 的精密测量。一些锅炉制造业、空调及制冷业中的差压变送器、压力变送器更是无 人问津3 。 目前国内有几家企业生产压力校验仪，但是性价比都不是很理想，大多数的用 户主要还是从国外进口数字压力校验仪，每年要花掉很多外汇，根据走访用户和统 计，社会需求总量上万台，每年需要近千台，市场前景十分好。 1 2 2 国外状况 h i n c h e s t 公司。1 、a m t e k 公司是比较有名的生产传感器、检测仪表厂家，他 们所生产的数字压力信号发生器，精度达o 1 、0 0 5 ，表1 是课题目标产品与国 外同类产品指标对比。 通过比较可知，本课题所要研制的便携式数字压力校验仪，是以高精度扩散硅 压力传感器及微处理器为基础的，它将采用加压泵与主机分体的结构，用于压力 表、压力传感器、变送器、静压式液位传感器以及其他与压力有关的仪器仪表的校 验与维修，其尖端技术、新工艺和独特的创造性使测试精度等各项指标均达到国外 同类产品水平，而具有国外产品无法比拟的性能价格比。 5 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 课题目标产品与国外同类产品指标对比 项目本课题研究目标劬i t e k 公司h i n c h e s t 钉公司国内类似产品 精度 g ：0 0 5 士0 0 5 土o 0 5 ：e 0 1 功耗 1 0 0 m w 1 8 0 m w 工作温度 一1 0 + 5 0 o + 5 0 一1 0 + 5 0 o + 4 0 电压测量 0 3 0 v0 3 0 vo 3 0 v无 电流测量0 3 0 m a 4 2 0 m a0 3 0 m a无 提供电压1 0 v 、2 4 v无 1 0 v 、2 4 v2 4 v 双排液晶，双排液晶，双排液晶，单排液晶， 显示 9 种压力单位1 5 种压力单位9 种压力单位1 种压力单位 结构分体式分体式分体式一体式 1 3 系统工作原理 扩散硅压力传感器利用压阻效应，采用半导体集成电路工艺在硅材料上扩散杂 质，形成电阻条，构成惠斯登电桥。由于它具有迟滞小、精度高、体积小等特性， 被广泛应用。但由于温度变化对硅传感器的诸多影响：半导体载流子浓度、硅膜片 钝化膜应力和隔离膜片应力等发生变化，所以必须对其加以补偿才能充分发挥其优 越性【6 一。温度稳定性是扩散硅压力传感器成功应用的关键，传统的无源网络补偿技 术，采用电阻网络进行补偿，由于内部补偿不完全，外部元件稳定性的影响，从而 限制了补偿精度，而将单片机与压力传感器结合起来，经过软件补偿，就可以使整 机在工作温区o 5 0 c 内，精度优于0 0 5 。 扩散硅压力传感器输出u 是输入压力p 及环境温度r 的函数。，即 u 酽，力 ( 1 ) p 专厂，刁 ( 2 ) 经过零点电阻网络补偿后的传感器输出特性如图1 所示。分析输出u 与_ p 、r 问的规律，采用微处理器对输出特性进行线性插值，有效地解决了压力传感器温度 6 沈阳工业大学硕士学位论文 及非线性误差。利用标准温度、压力测试装置，采集全温区内的输出数据，将它们 存储在系统e p r o m 中，微处理器利用压力、温度及传感器静压输出及e p r o m 中 的数据，结合算法进行插值运算，从而可以得到优良的静态输出特性。 零点 图l 传感器输出特性 s o u 4 0 3 0 c 2 0 i o p ( 抒舒 1 4 设计思路 1 4 1 总体设计思路 为了使压力校验仪具有精度高、稳定性优良、回差小、灵敏度高等优良特性， 设计中应该采用高精度扩散硅压力传感器，配以精良的低功耗电路设计及软件补 偿、模块化监控设计，并全面考虑技术指标中所提出的各项要求，在实现功能保证 精度的前提下努力实现小型化、低成本和低功耗，整机采用分体式设计思路，利用 手操泵加压，双排液晶显示，另外需要设计力n z , 5 巧精致的壳体，体现便携的特 点，使本校验仪成为冶金、石油、化工、电力、环保等大量应用部门及自动化仪表 车间、制造厂的有关工作人员最得力的助手。 1 4 2 主机工作低功耗设计思路 为方便工业现场的测量和校验应用，便携式数字压力校验仪采用可充电电池供 电，这就需要整机耗电小，每次充电后，电源输出不接负载的条件下，要求电池可以 连续工作5 0 小时以上，以每节镉镍充电电池1 5 a h 计算，6 节电池要求整机耗电 7 沈阳工业大学硕士学位论文 3 0 m a ，所以准备采用c h m o s 电路技术进行整机设计。c h m o s 电路具有c m o s 电 路的功耗低、抗干扰能力强、电压工作范围大，又兼有1 v r l 电路速度快的优点n “， 保证整机可靠工作。 1 4 3 压力泵的选型思路 选用西安仪表厂生产的手操压力泵，手操压力泵是种手操压力源，它重量轻、 打压轻巧、使用方便，结构上设计了微调器和排气开关阀，可方便地实现压力的调整 和空气的排放。此外，还附有管路快速接头，尼龙软管，仪表接头等，用于连接标准 表和被校表m 1 “。 1 5 论文主要完成内容及预期成果 1 5 1 论文主要完成内容 本课题的主要目的就是使产品接近或超过同类产品的水平，并利用价格优势， 在市场竞争中立于不败之地。总结起来主要有以下研究内容： a 整体功能设计 所要设计的便携式数字压力校验仪相当于一套包括标准压力计，空气压缩机 ( 或气瓶) ，1 0 v 、2 4 v 直流稳压电源和高精度数字压力表等组成的压力表校验系 统。 b 。硬件低功耗设计 便携式仪表的特点之一是必须以电池供电，这就使得低功耗设计成为关键。近 年来由于大规模集成电路技术的发展，涌现了很多低功耗的芯片，这也是进一步降 低功耗成为可能。 c 软件设计 软件设计是个关键，校验仪各种功能的实现都与软件的设计密不可分，特别是 传感器特征数据补偿程序以及零点量程调整等程序都决定了最后的整机精度。本课 题将采用汇编语言编程。 d 面板设计 8 沈g f l i 业大学硕士学位论文 仪表面板采用薄膜开关技术，液晶屏可显示各种功能状态。仪表还可以精确地 测量内、外部的压力、电压和电流信号。 e 外观设计 设计坚固耐用、精巧大方，适合工业现场应用的仪表壳体并开模具加工。 1 5 _ 2 预期成果目标和创新点 课题预期成果目标：达到国际九十年代先进水平，实现替代进口的目标。 1 5 2 1 整机结构 便携式数字压力校验仪采用一体化全钢性密封结构的高精度压力传感器，整机 以微处理器为基础，实现压力输出的温度、非线性补偿，以手操泵来实现压力供 应，通过l c d 进行各种功能显示。校验仪结构框图如图2 所示。 图2 校验仪结构框图 1 5 2 2 主机通过软、硬件，实现以下功能： ( 1 ) 力和电压电流同时显示，可监测变送器的工作状态 ( 2 ) 清零及零位迁移功能； ( 3 ) 1 0 种压力单位转换功能； ( 4 ) 过载提示功能； ( 5 ) 提供1 0 v 、2 4 v 电源输出； ( 6 ) 输入电源反向保护功能； 9 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 7 ) 测试值保持功能； ( 8 ) 自检电池电量功能； ( 9 ) 现场温度显示功能。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 2 理论分析与研究 2 - 1 微处理器( c p u ) 的选择 单片机采用美国a t m e l 公司的8 9 c 5 2 芯片。 2 1 1a t 8 9 c 5 2 简介 a t 8 9 c 5 2 是一种低功耗、高性能的c m o s8 位微型计算机。a t 8 9 c 5 2 带有8 k 可f l a s h 编程和擦除的只读存储器( e p r o m ) ，2 5 6 字节r a m ，3 2 线i o1 ：3 ，其中 p o ，p 2 为数据，地址双向的多用端1 3 。3 个1 6 位定时器，计数器，t 0 ，t 1 和t 2 t 1 4 l 。6 向量两级中断，一个全双工串行口，这些资源足够系统使用，不必另外扩展r a m 和r o m ，有效地简化了系统硬件设计，提高了系统的稳定性和可靠性，而且内部含 f l a s h 存储器，在系统开发过程中可十分容易对程序进行修改，直到正确为止。 a t 8 9 c 5 2 设有静态逻辑用于运行到零频率，并支持软件选择的两种节电运行 方式。空闲方式使c p u 停止工作，而允许r a m 、定时器阱数器、串行口和中断系 统继续工作。掉电方式下，片内振荡器停止工作，由于时钟被冻结，一切功能都停 止，只有片内r a m 的内容被保存，直到硬件复位才恢复正常工作n ”。 在课题设计中，a t 8 9 c 5 2 的振荡晶体选用11 0 5 9 2 m h z ，以利于以后通信时的 波特率的精确设计和设置。8 9 c 5 2 中还内设8 级中断控制系统，3 级单向一次性可 编程的密码内存，可以防止芯片内的程序被非法读写，拷贝等，保护知识产权。 该器件采用a t m e l 的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的 8 0 c 5 1 和8 0 c 5 2 的指令系统及引脚兼容，片内f l a s h 程序存储器允许在系统内改写 或用常规非易失性存储器编程器编程。通过把通用的8 位c p u 与f l a s h 集成在一个 芯片上，a t 8 9 c 5 2 便成为一个高效的微型计算机，它可以用于解决复杂的控制问 题，且成本较低。a t 8 9 c 5 2 的软件指令完全兼容与m c s 51 系列的m c u 的标准， 包括指令的寻址方式，各种数据的操作等“”2 。 2 1 2a t 8 9 c 5 2 单片机的特点 a t 8 9 c 5 2 单片机具有如下特点o “： 与m c s 5 1 产品兼容。 沈阳工业大学硕士学位论文 - 具有8 k 可改写的f l a s h 内部程序存储器，可以写，擦1 0 0 0 次。 - 全静态操作：0 h z 2 4 m h z 。 三级程序存储器加密。 2 5 6 字节内部r a m 。 3 2 根可编程 l t o 线。 3 个1 6 位定时器，计数器。 8 个中断源。 可编程串行口。 低功耗空闲和掉电方式。 2 2 数据转换、处理及传输电路的设计 这部分电路的主要功能选用3 v s vc m o s 信号调节a d 转换器件a d 7 7 1 4 来完 成。 2 _ 2 1a d 7 7 1 4 简介 a d 7 7 1 4 是a d 公司生产的2 4 位一串行模数转换器，主要应用于低频小信 号的测量。与a d 7 7 1 0 相比，a d 7 7 1 4 在电源和数据接口方面作了较大改进，尤其 是a d 7 7 1 4 简单的三线数据接1 3 ，不仅简化了对器件的操作，而且减少了对系统资 源的占用。a d 7 7 1 4 是一个完整的用于低频测量应用场合的模拟前端，用于直接从 传感器接收小信号并输出串行数字量。它使用转换技术实现高达2 4 位精度的代 码而不会丢失。输入信号如至位于模拟调制器前端的专用可编程增益放大器。调制 器的输出经片内数字滤波器进行处理。数字滤波器的第一次陷波通过片内控制寄存 器来编程，此寄存器可以调节滤波的截止时间和建立时阀。a d 7 7 1 4 有3 个差分模 拟输入( 也可趴是5 个伪差分模拟输入) 和一个差分基准输入。单电源工作( + 3 v 或+ 5 v ) 。因此，a d 7 7 1 4 能够为含有多达5 个通道的系统进行所有的信号调节和转 换。a d 7 7 1 4 很适合于灵敏的基于微控制器或d s p 的系统，它的串行接口可进行3 线操作，通过串行端口可用软件设置增益、信号极性和通道选择。a d 7 7 1 4 具有自 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 校准、系统和背景校准选择，也允许用户读写片内校准寄存器。c m o s 结构保证了 很低的功耗，省电模式使待机功耗减至1 5 “w ( 典型值) 1 2 2 。 2 2 2a d 7 7 1 4 性能特点 ( 1 ) 采用一技术，最高可实现2 4 位无误码输出，同时保证i n l o 0 0 1 5 ( 数据输出频率小于6 0 h z ) ； ( 2 ) 具有前端增益可编程放大器，增益值在1 1 2 8 内可选，内含可编程低通 滤波器和可读写系统校准系数； ( 3 ) 有5 通道输入，可根据需要采用3 路差分输入或4 路伪差分输入； ( 4 ) 低噪声，r m s 噪声 1 5 0 n v ； ( 5 ) 低功耗，典型电流值为2 2 6 1 a a ( 省电模式仅为4 1 x a ) ； ( 6 ) 采用单3 v 供电( a d 7 7 1 4 - - 3 ) 或单5 v 供电( a d 7 7 1 4 - - 5 ) 方式。 2 2 3a d 7 7 1 4 片内寄存器及其设计思路 通信寄存器 a d 7 7 1 4 包含8 个片内寄存器。对所有寄存器的读写操作首先都需要对通信寄 存器进行写操作，写入通信寄存器的内容决定了下一次读写操作所使用的寄存器。 通信寄存器的格式如下： 在对通信寄存器进行写操作时，0 d r d y 位必须为0 ，若为1 ，则a d 7 7 1 4 将 处于等待状态直到该位被写入0 。读取通信寄存器时，0 d r d y 位表示数据是否转 换好，和d r d y 引脚上的信号一致。r w 位为“1 ”，表示下一次操作为读操作，为 0 ”表示下一次操作为写操作。 r s 2 r s 0 决定下一次读写操作所使用的寄存器。 c h 2 c h 0 决定所进行操作的模拟输入通道。 模式寄存器 模式寄存器是8 位可读写寄存器，其格式为： m d 2 、m d l 、m d 0 用于器件工作模式的选择。 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 g 2 、g 1 、g o 用于可编程增益放大器p g a 的增益选择。 b o = 0 将断开耗尽电流，b o = “1 ”则使耗尽电流加在a ( + ) 和a i n ( 一) 之间， “o ”为缺省值。f s y n c 位用于控制滤波器同步，高电平时，将使滤波控制逻辑、器 件校准控制逻辑和y - a 转换器挂起而处于复位状态；若f s y n c 为低电平，滤波器 和转换器将恢复对数据的处理，f s y n c 的电平不影响a d 7 7 1 4 的数据输入输出操作 和d r d y 信号。 滤波寄存器 滤波寄存器是两个可读写的8 位寄存器。 滤波高位寄存器格式为 b ，uw lb s tz e r 0f s l l if s l 0f s 9f s 8a 型 _ 一 i b 八jw lb s tc l k d i s f s l l l f s l 0f s 9f s 8y 型 滤波低位寄存器格式为： b u 置0 ”时选择双极性操作方式，置“1 ”时选择单极性操作方式。w l 位决定 a d 转换的位数，置0 ”选择1 6 位方式，置“l ”选择2 4 位方式。对于b s t 位，当 f c l k = i m h z 或f c l k = 2 4 5 7 6 m h z 且增益在1 4 之间时，此位为0 ，能减小从a v d d 获取的拉电流( 置“1 ”时器件也能工作) 。在无l r = 2 。4 5 7 6 m h z 且增益在8 1 2 8 之间 时，该位只有置“l ”才能保证器件正常工作。对a 型a d 7 7 1 4 ，z e r o 位必须为0 。 对y 型a d 7 7 1 4 ，c l kd i s 位用于控制m c l k o t r r 引脚上的信号。在使用石英t 陶瓷 谐振器时，若该位置“1 ，a d 7 7 1 4 时钟将停止并关闭a d 转换。 a d 7 7 1 4 片内数字滤波器是一个s i n c 3 滤波器。f s l1 f s o 用于滤波器第一陷 波点的选择，同时也决定a d 数据的输出速率，因为a d 7 7 1 4 的数据输出速率等于 滤波器第一陷波点的频率。若为f s l l f s 0 所表示的十进制数大小( 非b c d 码) ， 则第一陷波点频率等于0 r c l k 1 2 8 ) n 。在选择f s l l f s 0 时，应保证其取值在1 9 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 4 0 0 0 之间。滤波器第一陷波点频率的选择将影响模数转换的有效数据，只有在该频 率小于6 0 h z 时，才能保证2 4 位无误码。若取l k h z ，则只能保证1 2 位无误码。 2 2 。4a d 7 7 1 4 与a t 8 9 c 5 2 的接口设计 a d 7 7 1 4 和a t 8 9 c 5 2 的接口可以通过两种方式实现乜”，一种是用a t 8 9 c 5 2 的r x d ( p 3 0 ) 与a d 7 7 1 4 的d a t a i n 和d a t a o u t 进行数据传送，并利用 a t 8 9 c 5 2 的t x d 自带的时钟信号提供给a d 7 7 1 4 的s c l k ；一种是用a t 8 9 c 5 2 的 某一端口位( 如p 1 0 ) 与a d 7 7 1 4 的d a t a i n 和d a t a o u t 进行数据传送，对另一端 1 2 1 位( 如p 1 1 ) 编程产生时钟信号以提供给a d 7 7 1 4 的s c l k 。 在设计中运用了第一种连接方式，并通过监视通信寄存器的d r d y 位以确定数 据寄存器何时有新数据，电原理如图3 所示。当然也可以用a t 8 9 c 5 2 的一个端口位 与a d 7 7 1 4 的d r d y 引脚相连，以轮询的方式来确定，另外还可以以中断方式来实 现1 “。 图3a d 7 7 1 4 与8 9 c 5 2 的接口电路 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 2 - 3 温度传感器数值取样的设计 对扩散硅压力传感器进行温度补偿，温度测试精度要保i 正4 - 0 5 c 。外界温度的 测量通过集成化测温元件a d 5 9 0 实现。半导体器件a d 5 9 0 是美国a n a l o gd e v i c e s 公司生产的两端式集成温度电流传感器，a d 5 9 0 的工作参数如表2 所示d ： 表2a d s 9 0 的工作参数 工作电压范围输出类型( + 2 5 时)输出比例系数精度( + 2 5 b 寸) + 4 十3 0 2 9 8 2 吣 1 咄士5 线性度，工作温度范围，静态电轲甜“a说明 1 55 5 + 1 5 0 o u 卢q传感器与对象隔离 a d 5 9 0 是产生与绝对温度值成正比的输出电流。由于是单片集成电路，成本较 低，同时，在应用时不需要外围支持电路，利用a d 5 9 0 的输出电流特性，用精密电 阻将电流转化为电压作为输入信号。单片机在得到经过前端处理和a d 转换的信号 后，将其换算为实际的参比端温度，从而利用计算法得出实际铡量的温度值【2 7 础l 。 a d 5 9 0 体积小，热惰性小、反应快、线性度好，精度高随温度变化的参量是电 流信号，它是以绝对温度为分度的，当介质温度为零摄氏度时，输出电流是2 7 3 “a ， 每升高1 度，电流升高1 肛a ，即分辨率为1 。k 。其测温范围为5 5 c 1 0 0 c 1 2 9 1 。 a d 5 9 0 采集到的温度值，经过信号转换部分( 由标准运放电路和a d 元件组 成) 将电流信号转变为数字信号。 在课题设计中，为保证微处理器采集到准确的温度信号，取样电阻仍采用 r x 7 1 - 0 0 5 系列电阻，测试精度达0 0 5 。 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 2 4 传感器的恒流供电 恒流源采用性能较好的恒流二极管3 c r 3 ，3 c r 3 的精度和长期稳定性均高于一般 变送器的指标3 0 】。为保证传感器补偿精度，3 c r 3 调整电阻采用r x 7 1 0 0 5 精密电阻， 温度系数达1 0 p p m 。 2 5 2 4 v 电源设计 给外界提供2 4 v 电压的功能主要是由m a ) ( 7 7 3 来完成的。 2 5 1m a x 7 7 3 简介 m a x 7 7 3 是一个5 v 1 2 w 1 5 v 可调、高效、低静态电流升压型d c - - d c 控制 器。m a x 7 7 3 升压型开关控制器可以在1 0 m a 到l a 的负载电流范围内使效率达到 9 0 ，一个独特的、限电流型的脉冲频率调制( p 刚) 控制方案即具有脉宽调制 ( p w m ) 变换器的优点( 重载时高效率) ，又具有脉冲频率调制的优点( 低静态电 流) ，静态电流小于1 1 0 u a ( 雨同样的p w m 变换器是2 m a 到1 0 m a ) 口”。 m a x 7 7 3 仅使用很少的外部元件。它的高开关频率( 可达3 0 0 k h z ) 允许采用直 径9 r a m ，高度5 m m 的小磁芯电感。 m a x 7 7 3 的输入电压范围是3 v 到1 6 5 v 。对于一个更宽的电压输入范围， m a x 7 7 3 内部有一个分路电压调节器，利用此调节器可使输入电压为任意值。 m a x 7 7 3 的输出电压可预置为5 v ，1 2 v ，或1 5 v ，也可由两个外部反馈电阻调整。 m a x 7 7 3 驱动外部n 沟道m o s f e t 功率开关，输出功率可达15 w 。 2 5 2m a x 7 7 3 的特点 ( i ) 负载电流从1 0 u a 到1 a 范围内保持9 0 高效率： ( 2 ) 输出功率可达1 5 w ： ( 3 ) 最大静态电流1 1 c u a ； ( 4 ) 关闭状态下最大电流仅5 1 a a ； ( 5 ) 输入电压范围2 v 到1 6 5 v ，对高输入电压，内部有分路调节器； ( 6 ) 可预制或可调输出电压：5 v 、1 2 v 、1 5 v 或可调输出： ( 7 ) 限电流型p f m 控制方式； 1 7 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 8 ) 开关频率可达3 0 0 k h z 。 2 5 3 设计依据 m a x 7 7 3 是b i c m o s ，升压型开关工作模式电源控制器，可提供5 v ，1 2 v ， 1 5 v 输出电压或可调输出。它独特的控制方式结合了脉冲宽度调制( p w m ) ( 重载 时高效率) 和脉冲频率调制( p f m ) ( 低静态电流) 的优点，可在一个宽的输出电 流范围内保持高效率，与以前的p f m 控制方式相比还增加了输出电流能力。对每种 应用情况，可通过外部检测电阻和选择功率开关晶体管确定输出电流大小。”。 与以前的p f m 控制方式相比，m a x 7 7 3 有三方面的主要改进： ( 1 ) 由于开关工作频率可达3 0 0 k h z ，因此功率交换器的外部电感可做得很小 ( 高度5 m m ，直径小于9 m m ) ： ( 2 ) 限电流型p f m 控制方式，使电路在一个宽的输出电流范围保持8 7 的高 效率； ( 3 ) 最大静态电流仅1 1 0 1 a a 。 2 5 4 设计方法 在高输入输出电压下，m a x 7 7 3 可用内部6 v 分路调节器工作。它的输出可设 为一个可调电压或固定的三种电压之一( 5 v ，1 2 v ，1 5 v ) ，它有一个内部供电电 压比较器用以检测电池电压是否过低。它具有关闭功能，关闭时最大静态电流仅 5 9 a 。 ( 1 ) 在本设计中，利用了m a x 7 7 3 的非自举工作模式。电路图如图4 所示。 在非自举模式下，i c 由输入电压供电，此时需要的电源电流最小。在这种模式 下，f b 端是输出电压检测点。由于加于外部功率晶体管门极的电压范围减小( 门极 电压范围是v + 到地) ，在低输入电压时，功率晶体管通态电阻将增加。然而，这 时，由于v + 电压较低，电源供电电流也减小。这是由于门极电容的充放电电荷量减 小引起消耗能量减小。对于m a x 7 7 3 ，当用外部反馈电阻时，最小输入电压是3 v 。 当供电电压低于5 v 时，推荐采用自举工作模式。 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 不用外部反馈电阻，m a x 7 7 3 可工作于非自举工作模式，因为此时v + 不用作输 出电压检测点。 图42 4 v 输出的原理图 ( 2 ) m a x 7 7 3 的分路调节器的应用 在设计中，利用了m a x 7 7 3 内部的6 v 分路调节器，使电路也可以工作于很高 输入电压下。 但是在设计中要注意到，不用分路调节器是浮动分路调节器的地( 即s g n d 端) 。但是用它时，连接s g n d 到g n d 。为了使分路调节器正常工作，需要最小 l m a 的电流，最大电流不超过2 0 m a 。 当用分路调节器时，m a x 7 7 3 工作于非自举工作模式，e x t 输出范围是6 v 到 g n d 。而且要用n - - m o s f e t 作为功率开关，而不用n p n 功率晶体管，否则，过 大的基极驱动将使分路调节器崩溃。经过严格测试和筛选，设计中选用了t i p 4 1 c 。 ( 3 ) 外部功率晶体管控制电路的设计 a p f m 控制方式 1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 m a x 7 7 3 采用独特的限电流p f m 控制方案保证了在宽的负载电流范围内实现高 效率。这一控制方案结合了p f m 控制超低静态电流和p w m 控制满载时高效率的优 点。与传统的p f m 变换器不同，m a x 7 7 3 用一个检测电阻控制峰值电流。由于它们 的开关工作频率高( 3 0 0 k i - i z ) ，因而允许采用很小的外部元件。 m a x 7 7 3 开关工作频率是可变的( 决定于负载电流和输入电压) ，因此输出开 关噪声也是可变的。然而，这一噪声不会超过峰值电流与输出滤波电容e s r 的乘积 ( 此乘积决定了输出纹波) 。 b 低电压起动振荡器 m a x 7 7 3 无占空比5 0 的低电压起动振荡器。对所有工作模式，它的最小起动 电压是3 v 。 c 外部晶体管 m a x 7 7 3 可以驱动m o s f e t ，也可以驱动n p n 晶体管，这是因为它有两个分 离的输出驱动端( e x t h 和e x t l ) ，它们工作于反相状态。设计中选用了 t i p 4 l c 。 d 关闭模式 当s h d n 端是高电平时，m a x 7 7 32 1 2 作于关闭模式。在这一模式下，内部偏置 电路被关断( 包括基准部分) v o t r r 是q 减去二极管的正向导通压降( 由于从输 入到输出的d c 通路) 。在关闭模式下，电源电流降到小于5 9 a 。s i t d n 是 t i l c m o s 兼容的逻辑电平输入。在正常工作情况下，s h d n 连于g n d 。在关闭模 式下，m a x 7 7 3 的分路调节器没有被禁止。 e 电池电压过低检测 m a x 7 7 3 有一个电池电压比较器，用来将l b i 的输入电压与基准电压比较。当 l b i 电压低于陆f 时，l b o ( 一个m o s f e t 的开路漏极输出) 输出低电平，低电池 电压比较器2 0 m a 的迟滞提高了比较器的噪声容限，可防止l b o 被重复触发。用一 个电阻分压网络连于v + ，l b i