基于MSP430的高精度压力计设计

　　1　引　言

　　测压电路往往需要恒压或恒流源、A/D转换器和高精度运放。当测量精度较高时,复杂的调理电路和高位数的A/D转换使成本和功耗增加。随着大规模集成电路的发展,许多外设可以集成在片内,为设计低功耗高精度测压系统提供了硬件基础[1~3]。

　　利用MSP430F2013的片上16位A/D和20ppm的电压基准,辅助以非平衡电桥和过采样的方式,能够实现高精度的压力测量;通过BP 神经网络智能化数据融合方法对扩散硅压力传感器输出进行处理以消除非目标参量(温度)对传感器的影响;所完成的测压系统具有精度高、功耗低、成本低的特点。①

        2　测压硬件电路设计

　　在压力采集电路中,需要高分辨率A/D变换器把测量电路的模拟信号进行数字化。

　　MSP430F20XX系列单片机具有功耗低、运行速度快的特点,其中MSP430F2013内置16位A/D模块和18ppm的1.2 V的参考电压,适合做低功耗传感器信号采集和处理。

　　图1是系统硬件电路图,压力传感器一般采用桥式电路,在金属梁上贴有4个对称的应变电阻片,在压力发生变化时金属梁发生形变,导致4个桥臂上的应变片电阻发生变化,输出电位差。因为压力桥的输出幅度不仅正比于被测压力,也正比于激励电压,故采用内部参考基准1. 2 V,激励电压的变化将导致输出信号和基准源同时发生变化,两者变化比例相等,ADC采样结果实际上是两者相除,电压的影响将完全被消除[1]。因为是比值测量系统,所以可以消除系统中的漂移误差。

　　MSP430F2013的SD16模块不带输入缓冲,其差分输入阻抗在PGA增益为2时约为250 kΩ,直接测量输出千欧级的电桥输出时会带有mV级的测量误差。为提高测量精度,要在外部提供输入缓冲,缓冲运放采用低噪低温漂双运放。

　　3　压力数据的融合方法

　　扩散硅压力传感器在输入压力P数值不变的情况下,当工作温度T变化时将引起传感器输出发生变化。为了消除非目标参量(温度)对传感器输入-输出特性的影响,可采用多种先进补偿算法。本文采用BP神经网络智能化数据融合方法,对压力传感器进行温度补偿,并就补偿效果进行分析。

　　3.1　数据采样

　　在压力传感器的量程范围内确定n个压力的标定点,在工作温度范围内确定m个温度标定点,于是由压力P与温度T标准值产生各个标定点的标准输入值为:

　　Pi:P1,P2,P3,…,Pn

　　Tj:T1,T2,T3,…,Tm

　　对应上述各个标定点的标准输入值读取压力传感器输出值为X和温度输出值Y,这样我们实现了样本的实验标定。