基于MS5534B的氣壓高度計系統(tǒng)的設(shè)計

　　0引言

　　傳統(tǒng)的氣壓測量方法很多，例如水銀氣壓計和機械振筒式空盒氣壓計，但它們的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、測量精度低，不便于自動遙測。目前，氣壓傳感器正朝著小型化、集成化、智能化、標準化的方向發(fā)展，在性能上追求高穩(wěn)定性、高靈敏度、高分辨率、低功耗、寬溫度范圍等。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了壓阻式、電容式以及基于MEMS技術(shù)制作的絕對壓力傳感器等。壓阻式或電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、精度高、靈敏度高，尤其是采用MEMS技術(shù)制作的絕對壓力傳感器，采用先進的集成電路工藝和微加工技術(shù)，將傳感元件和信號處理電路集成于一體，大大提高了測量性能，并簡化了測量系統(tǒng)設(shè)計，同時大大減小了體積，使得測量儀器系統(tǒng)整體小型化。MS5534B就是基于MEMS的絕對壓力傳感器的典型代表。本文提出了一種基于壓力傳感器MS5534B實現(xiàn)高度傳感器的設(shè)計方案，其系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、響應(yīng)快、功耗低。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)由數(shù)字壓力傳感器MS5534B、單片機MSP430F449、電源模塊、液晶顯示器LCD、RS232接口及其他外圍電路組成，如圖1所示。

 　　MSP430F449用軟件模擬三線SPI口，實現(xiàn)MSP430F449與MS5534B通信，根據(jù)MS5534B的通信協(xié)議發(fā)送相應(yīng)的指令，獲得氣壓、溫度以及校準系數(shù)值。串行時鐘信號SCLK由MSP430F449產(chǎn)生，SCLK提供串行數(shù)據(jù)傳輸所需時鐘。主時鐘MCLK由外部晶振產(chǎn)生，MCLK給MS5534B內(nèi)部邏輯電路提供時鐘。MSP430F449利用I／O口讀得MS5534B的數(shù)據(jù)，通過軟件進行溫度補償和壓力-高度轉(zhuǎn)換運算得到實際高度值。首先MSP430F449對MS5534接口復(fù)位后，通過串口讀出MS5534B模塊存儲器中的WORD1～WORD4，再用邏輯運算操作和移位操作提取補償參數(shù)C1～C6，然后，通過SPI口讀取16位壓力數(shù)據(jù)D1和溫度數(shù)據(jù)D2，用D1、D2和C1～C6通過補償算法計算出補償后的壓力，再由壓力-高度轉(zhuǎn)換算法得到實際高度值。溫度和實際高度值通過LCD顯示。LCD驅(qū)動模擬電壓由R3、R5、R6組成的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)提供。RS232接口通過異步串口與MSP430F449相連，實現(xiàn)上位機與MSP430F449的通信。

　　1.1 數(shù)字壓力傳感器

　　MS5534B是基于MEMS技術(shù)的數(shù)字壓力傳感器，內(nèi)部集成了絕對壓力傳感器、電阻式溫度傳感器、數(shù)據(jù)選擇器、15位A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器及數(shù)據(jù)存儲器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。壓力、溫度傳感器分別檢測壓力、溫度信號，壓力測量和溫度測量之間的切換是通過多路選擇開關(guān)在很短的時間內(nèi)完成的。A／D轉(zhuǎn)換器分別將壓力、溫度的差分模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過數(shù)字濾波器抑制干擾，然后將16位的壓力和溫度數(shù)字信號存貯在數(shù)字IC模塊中。同時，64位的數(shù)據(jù)存儲器PROM中存貯了6個補償參數(shù)，分別是參考溫度下的零漂、靈敏度、零漂的溫度系數(shù)、靈敏度的溫度系數(shù)、參考溫度、溫度的變化系數(shù)。MS5534B供電電壓為2.2～3.6 V，壓力測量范圍為(30～110)kPa，工作時鐘為(30～35)kHz，是一種低功耗、低供電電壓的傳感器，可自動斷開電源，三線接口則可滿足與單片機通信，方便實現(xiàn)軟件矯正，達到極高的精度。

　　1.2單片機

　　MSP430F449是具有功耗低、存儲容量大、集成度高、在線支持性強等特點的單片機，其工作電壓低(1.8～3.6 V)、電流小，有5種低功耗模式；豐富的中斷源并可任意嵌套，用中斷請求將系統(tǒng)從備用狀態(tài)喚醒僅需6μs；片內(nèi)看門狗及上電復(fù)位電路，三個時鐘源(XTAL1、XTAL2或內(nèi)部DCO)可供靈活選用；片內(nèi)16位的硬件乘法器，實時處理大量復(fù)雜的溫度補償和壓力-高度轉(zhuǎn)換運算；雙向并行I／O口P1和P2(有中斷功能)及P3～P6口，多數(shù)口有復(fù)用功能；片內(nèi)集成4×40段LCD液晶驅(qū)動器，實時顯示溫度和高度；通用通信模塊UARST0，通過軟件可選用為同步或異步方式。

　　2 軟件設(shè)計

　　軟件采用模塊化設(shè)計方法，主要包括系統(tǒng)初始化、I／O口模擬SPI口通信、溫度補償、濾波、氣壓-高度轉(zhuǎn)換、液晶顯示、RS232通信等子程序，主程序以循環(huán)方式工作，完成初始化及子程序的調(diào)用；I／O口模擬SPI口通信是單片機根據(jù)傳感器的通信協(xié)議，發(fā)送相應(yīng)的指令，讀取傳感器中相應(yīng)的壓力、溫度及校正參數(shù)值，并將4個字的校正參數(shù)值WORD1～WORD4轉(zhuǎn)換為6個補償參數(shù)C1～C6；溫度補償是單片機根據(jù)補償原理對讀出來的壓力進行溫度補償計算，修正溫度變化引起的零漂和靈敏度變化，從而修正溫度變化引起的壓力值的變化；通過軟件濾波減小電路的噪聲干擾，提高測量精度，得到在實際溫度下的壓力值，然后程序通過高度與壓力、溫度的關(guān)系計算出高度。程序流程圖如圖3所示。