基于MS5540C的微型氣壓傳感器的設(shè)計(jì)與研究

摘要：為實(shí)現(xiàn)提供氣壓和溫度參數(shù)的高穩(wěn)定性和高準(zhǔn)確性的測(cè)量，介紹了MS5540C的特性和工作原理，并給出了基于MS5540C的微型傳感器相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)，提供了部分相關(guān)軟件函數(shù)的設(shè)計(jì)作參考，最后對(duì)測(cè)量結(jié)果的補(bǔ)償校準(zhǔn)進(jìn)行了討論。試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)具有高穩(wěn)定性和高準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：MS5540C；氣壓；SPI；溫度；校準(zhǔn)

在工業(yè)領(lǐng)域、科學(xué)研究中，尤其是戶(hù)外復(fù)雜的工作環(huán)境中，經(jīng)常需要高精度測(cè)量環(huán)境溫度、氣壓。但是傳統(tǒng)的專(zhuān)門(mén)的氣壓和溫度測(cè)量?jī)x器存在不便攜帶，精度不高的缺點(diǎn)，另外工業(yè)控制環(huán)境和戶(hù)外惡劣環(huán)境下對(duì)氣壓和溫度測(cè)量?jī)x器的影響不可忽略，甚至有時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果。電子測(cè)量?jī)x器的微型化合低功耗的發(fā)展趨勢(shì)，迫切需要具有高穩(wěn)定性、高靈敏度、高分辨率、低功耗、寬溫度范圍的微型便攜式的氣壓和溫度測(cè)量?jī)x器的出現(xiàn)。MS5540C是瑞士Intersema公司推出的基于MEMS技術(shù)的數(shù)字壓力傳感器，在微型化低功耗高分辨率方面，以及高穩(wěn)定性和可靠性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文介紹了基于MS5540C的的微型氣壓傳感器的硬件和軟件相關(guān)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。

1 MS5540C的特性和硬件電路的設(shè)計(jì)

MS5540C是SMD混合器件，集成包括精確壓阻式壓力傳感器，電阻式溫度傳感器，16位ADC和數(shù)字濾波器及SPI數(shù)字接口電路等，尺寸6．2 ×6．4 mm，工作溫度為-40～+85℃，工作電流僅為5μA，符合歐洲ROHS認(rèn)證要求，廣泛應(yīng)用于便攜式氣壓計(jì)高度計(jì)，天氣控制系統(tǒng)，GPS接收機(jī)等方面。

圖1是MS5540C的框圖結(jié)構(gòu)。它具有引腳少接口簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。MS5540C供電電壓為2．2～3．6 V，與處理器的通訊接口為SPI串行接口，另外還需要一個(gè)32．768 kHz的時(shí)鐘輸入到MCLK引腳。

MS5540C可以非常方便地連接到微處理器，特別是帶有SPI接口的處理器，不過(guò)微處理器也要選擇-40～85℃工作范圍的工業(yè)級(jí)MCU以適應(yīng)復(fù)雜的野外環(huán)境。為了提高穩(wěn)定性和可靠性，我們推薦如圖2所示的電路設(shè)計(jì)。

對(duì)于32．768 kHz的時(shí)鐘，不推薦使用晶體或MCU來(lái)提供，原因是這種晶體或MCU提高的時(shí)鐘在寬范圍溫度條件下并不能保證穩(wěn)定。圖中使用工作范圍為-40～85℃的有源晶振。時(shí)鐘晶振的電源與MS5540C相同，并且需要1～10μF之間的濾波電容及1個(gè)0．01～0．1 nF之間的去耦電容，并且通過(guò)磁珠消除高頻噪聲。晶振輸出端最好加10～33 Ω的匹配電阻。M5540C的電源端必須認(rèn)真處理，如圖2所示，通過(guò)增加磁珠消除高頻噪聲，1μF和0．01μF電容實(shí)現(xiàn)濾波和去耦。PCB布局時(shí)，0．01μF電容盡量靠近VDD引腳。

MS5540C的SPI接口與MCU的連接如圖2所示，DIN和DOUT加10 kΩ的上拉電阻，并且在靠近MS5540C的SCLK端加一個(gè)15 pF的高頻濾波電容，這對(duì)于野外惡劣環(huán)境下消除干擾非常有效。

M5540C是超低功耗器件，采樣轉(zhuǎn)換期間的功耗也僅為1 mA。

2 MS5540C的程序設(shè)計(jì)

2．1 MS5540C的工作原理

MS5540C包括一個(gè)壓阻式的傳感器和傳感器接口電路。它的主要功能是將壓力傳感器輸出的未補(bǔ)償?shù)哪M電壓轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字值，通過(guò)接口電路可以將16位數(shù)字值輸出。共有2個(gè)16位數(shù)字值需要輸出，分別是用于氣壓和溫度測(cè)量結(jié)果計(jì)算的D1和D2。這兩個(gè)16位數(shù)據(jù)結(jié)果是非常粗糙的，必須通過(guò)外部處理器進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，才能得到比較精確的結(jié)果。

每個(gè)模塊都會(huì)在兩個(gè)溫度和兩個(gè)氣壓值下進(jìn)行工廠校準(zhǔn)，得到6個(gè)補(bǔ)償系數(shù)C1～C6，這6個(gè)補(bǔ)償系數(shù)共64 bit，以4個(gè)16 bit的字形式儲(chǔ)存在模塊內(nèi)的PROM中。因此，在進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算前，必須先讀出這6個(gè)補(bǔ)償系數(shù)。關(guān)于補(bǔ)償系數(shù)在4個(gè)16位字中的排列方式，請(qǐng)參看文獻(xiàn)的圖4。

2．2 MS5540C的軟件設(shè)計(jì)

使用帶有SPI接口的MCU與MS5540C接口，將會(huì)使程序設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。我們以帶有SPI接口的51單片機(jī)STCl2LE5A60S2為例來(lái)介紹MS5540C的軟件編程。

由前所述，4個(gè)16位的補(bǔ)償數(shù)據(jù)及2個(gè)分別為氣壓和溫度傳感器轉(zhuǎn)換而來(lái)的16位結(jié)果數(shù)據(jù)都需要通過(guò)SPI來(lái)讀取。關(guān)于這些數(shù)據(jù)的讀取，Intersema規(guī)定了一套簡(jiǎn)單的通訊協(xié)議，協(xié)議要求處理要先發(fā)命令數(shù)據(jù)，然后才能讀取16位數(shù)據(jù)。命令數(shù)據(jù)包括起始位，設(shè)置位和停止位，各個(gè)數(shù)據(jù)有不同的設(shè)置位，另外為了復(fù)位MS5540C，Intersema還提供了一個(gè)用于reset模塊的命令，關(guān)于具體的通訊協(xié)議，請(qǐng)參考文獻(xiàn)。