数字式就地指示压力表的设计

　　0　引　言

　　随着硬件和软件技术的快速发展,自动化系统已经基本上趋于计算机化。但很多现场指示仪表的数字化速度却相对较慢,这主要是由于现场供电条件、仪表功耗及成本等原因的制约。近年来,低压和低功耗器件的大量出现已经催生出了许多电池供电的现场指示仪表,典型的就是各种流量累计仪表,如,民用的煤气表、工业上的流量累计器。本文作者设计的数字式现场指示压力表,即适应了这种发展趋势,设计的要求是0. 3%精度、低成本、数字显示;能够适应各种环境;一节2000mA·h/3. 6V的5号锂电池能够连续工作3 a以上。

　　1　硬件设计

　　图1为系统原理框图,根据要求设计,系统中,所有元器件都选择了低功耗的产品。系统硬件大体分为前置的压力传感器、放大变换、A/D转换和MCU控制部分及MCU外围的LCD显示、电压监控、设定按键及EEPROM这两部分组成。

　　1.1　采集及控制部分设计

　　采集及控制部分是本设计的特色部分,电路采用了3. 6V电池单电源直接供电。压力传感器采用了恒压供电的扩散硅传感器,内阻为6 kΩ,输出灵敏度为6mV/V。考虑到成本,放大器采用了TI的TLV2711, TLV2711具有微功耗、低漂移和低压满幅输出特性。A/D采用了TI的ADS1100,它具有差动输入通道、双极性输出、前置程控放大器和I2C接口,是16位低成本的∑2Δ型模数转换器[1],能够保证高精度的数据采集任务。控制MCU选择了新型51兼容单片机P87LPC764[2],它是2倍速的51内核,电源监控、复位、看门狗和时钟内置,同时,具有多种低功耗操作方式,本设计中,它工作于内置时钟模式。

　　为保证系统的整体低功耗,采样设计为间歇方式,即约2 s采样一次。如图2,传感器和放大部分的电源是由MCU的P1. 7口控制的,只有采样转换期间才为这部分电路供电,其他大部分时间关闭电源。由图2还可以看到:系统没有对电源进行稳压,对传感器供电也没有稳压,这样的设计是利用了ADS1100本身的特点,即它使用电源做为基准源,电池电压变化时,传感器输出灵敏度变化与A/D输出变化相抵消。

　　TLV2711被设计成差动输入方式,同时,加入了LM285的1. 2V基准做输出偏移,以使输出信号的范围满足A/D转换器的输入要求。ADS1100被设计为单次转换方式,转换结束即进入待机状态,权衡转换精度和转换速度后,它的输出刷新时间设计为32 SPS,能够获得14位转换精度,单转换周期约30ms,对电源的能量要求较小。ADS1100的前置放大器设定为8倍,整个模拟部分的放大倍数由TLV2711根据传感器具体情况来调整。

　　1.2　MCU和LCD显示器及其他外围部分设计

　　P87LPC764设计成由看门狗中断唤醒的掉电模式,同时,掉电检测和EPROM模拟部分供电关闭。考虑到本设计的目标是独立的电池供电小系统,同时,MCU又具有比较强的抗干扰能力,这里没有使用看门狗的复位功能,而是把它设置成了中断方式,利用它独立的振荡器,约2 s中断唤醒一次MCU,MCU做一次采样和显示处理工作后进入掉电状态,等待看门狗的下一次唤醒。