高精度、低功耗智能傳感器的設計

在工業控制過程中，經常需要對一些參數進行測量，而一般傳感器的輸出信號較弱，不適合作遠距離傳輸。為了減小干擾，通常采用4～20ma電流輸出的雙絞線變送器。信號模擬處理的變送器，由于電路的復雜性的限制，非線性補償效果不理想，很難在全溫度范圍內實現溫度補償，因此達不到較高的精度要求。隨著低功耗高精度單片機、σ-δ adc和σ-δdac的日益普及，為高精度的智能變送器的設計提供了技術途徑。 　　本文介紹的單片傳感信號接口設計采用了德州儀器公司新近推出的一款多功能的微控制器msp430f2013，它內部集成了16位的σ-δadc。2kb的程序空間和128b的數據存儲空間，可以完成數據的智能采集，并采用差分傳輸方式進行數據傳輸。數據按幀進行傳輸，傳輸過程中采用crc檢驗進行差錯控制。msp430f2013的結構特點　　msp430f2013是ti公司msp430系列的一款微控制器， 它具有以下結構特點：16位的risc cpu、16位的寄存器和常數發生器，可以獲得很高的代碼效率；五種低功耗模式，在便攜式的測量應用中可以延長電池的使用壽命；數控振蕩器（dco）使得從低功耗模式切換到正常模式只要不到1μs；一個16位的定時器；10個i/o口；具備同步通信協議（spi或者i2c）；一個16位的σ-δ adc。　　msp430f2013的典型應用是傳感系統捕獲模擬信號，將模擬信號轉換為數字信號，然后利用數字信號作屏幕顯示或者將數字信號傳輸到一個主機系統中用作其他處理。系統介紹　　常見的模數轉換電路對模擬信號要進行信號放大，而且一般都要設計一個與單片機的接口電路，本系統具有很高的集成度，單片即可完成信號的放大、模數轉換，軟件濾波，同時實現了一個單線協議，直接可以和高檔計算機進行通訊，無須設計與單片機的接口電路。　　msp430f2013是一個低功耗的器件，當運行在1mhz的時鐘條件下，系統的工作電流為220μa，而待命模式的工作電流僅為0.5μa，保持ram的節電模式的工作電流更是只有0.1μa，這樣的低功耗wan全可以利用電池供電，適合于便攜式的測量。　　本系統利用msp430f2013進行智能數據采集，從前端傳感器采集來的數據經過程控增益放大器進行放大，隨后進入模數轉換器進行模數轉換，轉換完成后以異步串行的方式輸出。圖1是整個系統的原理圖。

圖1 系統原理圖　　為簡化系統，同時避免外部晶振對系統的影響，系統采用內部dco作為時鐘，系統利用差分傳輸數據，無需進行數據的隔離。本應用中配置傳輸速率為9600b/s，可以用串口設定匹配的波特率進行接收。　　無論系統采用內部參考電壓還是外部參考電壓，輸入電壓都有相應的范圍，所以前端模擬量的輸入要用穩壓管進行限幅。　　系統可以根據外界信號的大小調節轉換的精度，只需拉高p2.6同時調節外部輸入的模擬量為所測量的最大值，這時系統將自動調整pga（程控增益放大器）。　　由于采用半雙工的差分傳輸，系統很容易進行擴展，系統可以利用多個傳感器組成一個傳感器網絡，通過總線控制傳感器采集數據。