MSC1211在高精度智能变送器开发中的应用

引言
在工业控制过程中,经常需要对一些参数进行测量,而一般传感器的输出信号较弱,不适合作远距离传输。为了减小干扰,通常采用4mA~20mA电流输出的双绞线变送器。信号模拟处理的变送器,由于电路的复杂性的限制,非线性补偿效果不理想,很难在全温度范围内实现温度补偿,因此达不到较高的精度要求。随着低功耗高精度单片机﹑ΣΔA/D和ΣΔD/A转换器的日益普及,为高精度的智能变送器的设计提供了技术途径。本文介绍了利用美国德州仪器公司（Texas Instrument）新近推出了一种功能很强的低功耗单片机制作高精度智能变送器的硬件构成及工作原理。

系统硬件构成及工作过程

智能变送器的硬件系统构成如图1所示。系统由压力传感器、温度测量芯片、低功耗单片机MSC1211、液晶显示、编程接口、电源管理和电流输出等几部分构成。液晶显示采用并行接口,编程接口采用串行口。由于制作的为两线制变送器要求在环路供电时输出电流在4~20mA,考虑到其他方面的影响,要求整个系统的电流在3.5mA左右,这样在零压力比较容易调出4mA,所以在选择器件时功耗应重点考虑。本系统采用的带有片上D/A和A/D的单片机和液晶显示器均具有省电功能,温度芯片为单线制低功耗。在设计软件时让通讯部分和采样部分分时工作,以确保整个系统在3.5mA左右。MSC1211在2.7~5.25V工作电压下功耗小于4mW,液晶显示器的工作电流小于50μA;另外MSC1211可以提供精确的2.5V或1.25V的基准电压作为A/D和D/A转换器的参考电压。

系统的工作过程：从压力传感器来的信号进入到A/D转换器,其内部具有可编程增益放大器,可根据输入信号的范围自动设置增益放大倍数,A/D转换器对模拟信号数字化并进行数字滤波后,由CPU根据从温度芯片DS18B20读来的温度信号,从FALSH存储器中读取零点、线性度校正系数后,进行温度补偿和非线性补偿,然后根据量程范围进行量程转换并将其送到D/A转换器,从而输出相应的电流值,同时将压力以相应的单位显示在液晶显示器上。

MSC1211A/D和D/A转换器
MSC1211的片上A/D转换器是高集成度、八通道差分和单通道24位Σ－ΔA/D转换器,。其内部包括仪表放大器、可编程增益放大器、多路转换开关、数字滤波、数据处理及信号校准电路。芯片可以提供自带高精度标准电压,精度为0.2%,漂移为5ppm/°C,因此可以节省空间以及器件成本,也可输出该电压标准或外接电压标准。从而可以对外部传感器输出的0~100mV微信号进行采集。

A/D转换器的设置:
在利用MSC1211的片上A/D进行采样时,需要设置的寄存器为多路开关寄存器（ADMUX）、模数转换控制寄存器（ADCON0~ADCON3）、总和和移位寄存器（Summation/Shift Control）以及ADC偏移量设置寄存器（OCL~OCH）。ADCON0决定了内部放大器的增益和AD转换的参考电压等。ADCON1确定了AD转换结果的极性、数字滤波方法和计算模式控制位,ADCON2~3使用来设计AD转换输出数据的速率。总和和移位寄存器用来设计一次输出需要进行采样的个数如可以设置为进行8次AD转换后取平均值后输出数据。ADC偏移量设置寄存器是用来存放零点偏移,以便于进行校正。

A/D转换程序举例：
下面是我们用在智能变送器中的AD采样程序已经在KEILC51V7.05环境中编译,并从计算机的串口下载到智能变送器的电路板上,能正确采样并在液晶上显示和通过DA转换器得到相应的电流值。
#include
#define XTAL 843200 // 设置晶振频率
#define A_CLK 9
#define DECIMATION 288
void main( )
{
    ACLK=A_CLK; // 设置模拟时钟频率
    ADCON0=0x31; // 设置参考电压和增益倍数
    ADCON2 = DECIMATION & 0xFF; //设置AD转换速率每秒10次
    ADCON3=(DECIMATION>>8) & 0x07;
    ADCON1 = 0x01; // 设置滤波方法
    ADMUX=0X10;
    PDCON&=0x0f7 ; //打开AD转换器
    while(1)
{
display((ADRESH); //调用显示函数显示转换结果
display((ADRESM);
display((ADRESL);
}
}

D/A转换器的设置:
相对于A/D转换而言,D/A转换器的设置就非常简单。它需要配置4个DA转换寄存器（DAC0~DAC3）和DAC装载控制寄存器。DA转换寄存器控制着相应的电压输出方式和参考电压。装载控制寄存器是用来控制装载DA数据方式的。

软件设计
智能变送器的软件部分包括以下几个模块：（1）对MSC1211进行初始化包括对单片机进行初始化、液晶显器、A/D转换器和D/A转换器的初始化。（2）A/D转换器的校准包括各通道增益、零点漂移校正。（3）现场压力和温度数据的采集（4）压力传感器的零点校准,温度漂移补偿和非线性补偿（5）量程转换,D/A数据输出（6）实时压力显示。软件流程图如图2所示。

表1：不同温度下的压力测试结果（压力单位kPa,温度单位°C）

结语
使用本文提出的方案设计的智能变送器具有高精度,可以进行在线编程,体积小,使用方便等特点,可以应用在需要检测微弱参数的很多领域。