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高精度、低功耗智能傳感器的設(shè)計(jì)

來(lái)源:深圳市京都玉崎電子有限公司   2025年07月02日 09:46  

在工業(yè)控制過(guò)程中,經(jīng)常需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,而一般傳感器的輸出信號(hào)較弱,不適合作遠(yuǎn)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(hào)模擬處理的變送器,由于電路的復(fù)雜性的限制,非線性補(bǔ)償效果不理想,很難在全溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償,因此達(dá)不到較高的精度要求。隨著低功耗高精度單片機(jī)、σ-δ adc和σ-δdac的日益普及,為高精度的智能變送器的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)途徑。   本文介紹的單片傳感信號(hào)接口設(shè)計(jì)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(nèi)部集成了16位的σ-δadc。2kb的程序空間和128b的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,可以完成數(shù)據(jù)的智能采集,并采用差分傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)按幀進(jìn)行傳輸,傳輸過(guò)程中采用crc檢驗(yàn)進(jìn)行差錯(cuò)控制。msp430f2013的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)  msp430f2013是ti公司msp430系列的一款微控制器, 它具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn):16位的risc cpu、16位的寄存器和常數(shù)發(fā)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(cè)量應(yīng)用中可以延長(zhǎng)電池的使用壽命;數(shù)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(gè)16位的定時(shí)器;10個(gè)i/o口;具備同步通信協(xié)議(spi或者i2c);一個(gè)16位的σ-δ adc。  msp430f2013的典型應(yīng)用是傳感系統(tǒng)捕獲模擬信號(hào),將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),然后利用數(shù)字信號(hào)作屏幕顯示或者將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)揭粋€(gè)主機(jī)系統(tǒng)中用作其他處理。系統(tǒng)介紹  常見(jiàn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)模擬信號(hào)要進(jìn)行信號(hào)放大,而且一般都要設(shè)計(jì)一個(gè)與單片機(jī)的接口電路,本系統(tǒng)具有很高的集成度,單片即可完成信號(hào)的放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換,軟件濾波,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單線協(xié)議,直接可以和高檔計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊,無(wú)須設(shè)計(jì)與單片機(jī)的接口電路?! sp430f2013是一個(gè)低功耗的器件,當(dāng)運(yùn)行在1mhz的時(shí)鐘條件下,系統(tǒng)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(jié)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(cè)量。  本系統(tǒng)利用msp430f2013進(jìn)行智能數(shù)據(jù)采集,從前端傳感器采集來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)程控增益放大器進(jìn)行放大,隨后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換完成后以異步串行的方式輸出。圖1是整個(gè)系統(tǒng)的原理圖。

圖1 系統(tǒng)原理圖  為簡(jiǎn)化系統(tǒng),同時(shí)避免外部晶振對(duì)系統(tǒng)的影響,系統(tǒng)采用內(nèi)部dco作為時(shí)鐘,系統(tǒng)利用差分傳輸數(shù)據(jù),無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)的隔離。本應(yīng)用中配置傳輸速率為9600b/s,可以用串口設(shè)定匹配的波特率進(jìn)行接收?! o(wú)論系統(tǒng)采用內(nèi)部參考電壓還是外部參考電壓,輸入電壓都有相應(yīng)的范圍,所以前端模擬量的輸入要用穩(wěn)壓管進(jìn)行限幅?! ∠到y(tǒng)可以根據(jù)外界信號(hào)的大小調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換的精度,只需拉高p2.6同時(shí)調(diào)節(jié)外部輸入的模擬量為所測(cè)量的最大值,這時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整pga(程控增益放大器)?! ∮捎诓捎冒腚p工的差分傳輸,系統(tǒng)很容易進(jìn)行擴(kuò)展,系統(tǒng)可以利用多個(gè)傳感器組成一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò),通過(guò)總線控制傳感器采集數(shù)據(jù)。


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