海洋氣象觀測用低功耗智能型氣壓傳感器設(shè)計
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（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東青島266100）
摘要：針對當(dāng)前氣壓傳感器功耗偏大、輸出數(shù)據(jù)單一、靈活性差等缺點，設(shè)計了一款低功耗、輸出方式靈活的智能型氣壓傳感器。以ATmega16L單片機(jī)為主控芯片，通過SPI總線讀取氣壓和溫度的原始測量值，計算得到精確大氣壓值；采用精細(xì)化的軟硬件省電設(shè)計方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗；通過跳線選擇數(shù)據(jù)輸出方式，增加了產(chǎn)品的靈活性。該傳感器具有高精度、高穩(wěn)定性、智能性、低功耗和便攜式等特點，可獨立使用，也可用于其他需要氣壓測量的設(shè)備中。
0引言
氣壓計是利用壓敏元件將待測氣壓轉(zhuǎn)換為容易檢測和傳輸?shù)碾娏骰螂妷盒盘枺俳?jīng)過后續(xù)電路處理進(jìn)行實時顯示的一種設(shè)備。在傳統(tǒng)的氣壓測量領(lǐng)域，主要采用水銀氣壓計和無液氣壓計。隨著數(shù)字化和微電子制造技術(shù)的發(fā)展，電路集成化程度高的數(shù)字氣壓計具有讀數(shù)更直觀、測量更準(zhǔn)確的特點，在儀器儀表、醫(yī)療衛(wèi)生、氣壓計等工業(yè)設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。另外，氣壓也是海洋氣象觀測的重要要素之一，海洋觀測多采用蓄電池、太陽能等設(shè)備供電，因此要求儀器設(shè)備工作可靠、功耗低，以利于長期離岸工作。
目前市場上氣壓計的功耗和接口靈活性不盡人意，為此，本文所述的氣壓傳感器針對海洋觀測進(jìn)行綜合設(shè)計，考慮了低功耗和多種接口的特征。該傳感器采用帶有溫度補(bǔ)償?shù)腂MP085集成化MEMS芯片，以AVR低功耗微控制器作為主控芯片，通過精細(xì)化設(shè)計，實現(xiàn)了低功耗和多種接口輸出的統(tǒng)一，并通過對比性實驗驗證了設(shè)計的有效性。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
考慮到大氣壓的波動范圍及相關(guān)規(guī)范的要求，將本系統(tǒng)的性能指標(biāo)定為500 ~1 100 hPa(l hPa =100 Pa)，數(shù)字精度為0.2 hPa( 25℃)、0.3 hPa( -40～70℃)，模擬精度為0. 05%�？紤]到絕大多數(shù)設(shè)備的集成要求，需要模擬和數(shù)字兩種輸出方式，其中模擬輸出采用0~5 V和0~2.5 V兩種方式，數(shù)字輸出采用串口方式。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，其硬件架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的實現(xiàn)需微控制器具有UART、TWI和SPI接口，以及低功耗模式，綜合考慮選用了Atmel公司的ATmega16L作為主控MCU。該芯片具有16 kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，2.7～5.5 V的操作電壓，具有可編程串行UART和SPI串行接口。另外，該單片機(jī)還具有6種睡眠模式，能達(dá)到低功耗的要求。
該氣壓計顯示的是絕對氣壓值，因此應(yīng)選取測量絕對氣壓的氣壓傳感器；同時為了簡化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求該氣壓傳感器應(yīng)帶有溫度補(bǔ)償。為此，本設(shè)計選用了BOSCH公司的BMP085來測量大氣壓值。該傳感器的壓力測量范圍是300～1100 hPa，溫度測量范圍為- 40~ 85℃，通過I2C總線與微處理器通信；絕對精度為士1 hPa，雖本身精度達(dá)不到指標(biāo)要求，但經(jīng)過硬件篩選和軟件標(biāo)定后，基本達(dá)到0.2 hPa的精度指標(biāo)；且其功耗極低，標(biāo)準(zhǔn)模式下采樣一次的電流僅為5μA,待機(jī)電流僅有0.1μA。
由于需實現(xiàn)通過輸出端子TRIG/RX和VOUT/TX（圖1）將大氣壓力對應(yīng)的模擬和串口兩種數(shù)據(jù)輸出，并且考慮到低功耗特性，本設(shè)計選用DAC8552和MAX3221分別作為模擬輸出和串口輸出的轉(zhuǎn)換芯片。由子模擬輸出要求具有O~5 V和0—2.5 V兩種選擇，且串口要求輸出不同格式的數(shù)據(jù)，因此設(shè)計了用跳線來完成各種輸出方式的選擇。
考慮到海洋觀測設(shè)備電源的通用型，本傳感器電源端+PWR和- PWR（圖1）之間可輸入7~30 V的任意供電電壓，選用了具有低靜態(tài)電流的電源芯片LT3990和Hrly7833完成5V和3.3 V的轉(zhuǎn)換。
2低功耗設(shè)計
為了實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計，需要從硬件和軟件兩個方面進(jìn)行考慮。
2.1硬件設(shè)計
2.1.1 電源芯片
本設(shè)計選用了超低靜態(tài)電流降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器LI3990作為電源芯片，硬件電路如圖2所示。
Ll3990電源芯片具有使能引腳EN，本設(shè)計將其連接到外接端子TRIG，以便需要時拉低該引腳，使其進(jìn)入關(guān)斷模式，此時僅有0.7 A的關(guān)斷電流。另外該芯片的輸出電壓是由輸出引腳和FB引腳之間的電阻分壓器編程得到，根據(jù)如下公式選擇電阻，Ri=R2×（Uour/l. 21 -1）（如圖2標(biāo)注）。考慮到輸出電壓的精確度和低功耗的要求，本設(shè)計選用精度為1%且阻值較大的電阻，Ri=1 MΩ，R2=316 kΩ，以降低靜態(tài)電流。
2.1.2串口芯片
為了實現(xiàn)串口輸出和低功耗，選用MAX3221作為串口芯片，硬件電路如圖3所示。該芯片具有低待機(jī)電流1μA和自動掉電功能，功耗極低。其有兩個引腳FORCEON和/FORCEOFF，電平的高低決定了驅(qū)動器的狀態(tài)。當(dāng)FORCEON和/FORCEOFF都為高電平時，禁止自動掉電功能；當(dāng)FORCEON為低電平且/FORCEOFF為高電平時，使能自動掉電功能。在這種工作方式中，若接收到一個有效信號，該器件會自動啟動；其他情況下，驅(qū)動器輸出端被禁止。硬件設(shè)計采用跳線來決定FORCEON的電平，以此來決定是否使能自動掉電功能。
2.2軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)低功耗不僅需要硬件支持，還需要精細(xì)化的軟件設(shè)計。本傳感器選擇ATmega16L作為主控芯片，它采用了Harvard結(jié)構(gòu)，具有獨立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行，CPU在執(zhí)行一條指令的同時讀取下一條指令，實現(xiàn)了指令的單時鐘周期運行，這意味著同樣的工作可以在更短的時間內(nèi)完成。它有6種睡眠模式可供選擇，考慮到睡眠模式下，定時器以及中斷系統(tǒng)需要繼續(xù)工作，以便喚醒單片機(jī)繼續(xù)工作，因此本傳感器選用了空閑模式作為MCU的睡眠方式，其在1 MHz的功耗僅為0.35 mA。
本傳感器的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法和前后
臺程序架構(gòu)。前臺程序為中斷服務(wù)程序，后臺程序包括初始化程序和主程序。中斷服務(wù)程序包括定時器、串口接收和發(fā)送中斷服務(wù)程序；初始化程序包括1/0引腳、參數(shù)、外部設(shè)備和中斷初始化。在主程序中啟動溫度和壓力轉(zhuǎn)換，讀取原始溫度、壓力值，并進(jìn)行計算得到經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的精確大氣壓值，最后將其送入DAC8552得到對應(yīng)電壓值。
軟件設(shè)計采用了狀態(tài)機(jī)的模式，有4個狀態(tài)，分別是溫度采集、氣壓采集、計算轉(zhuǎn)換和睡眠狀態(tài)，具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。每個狀態(tài)下都做相應(yīng)的處理及運算，并將下一狀態(tài)值賦給State，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，使ATmega16L進(jìn)入空閑模式，等待定時50 ms的Timer2中斷將其喚醒，以此達(dá)到降低功耗的目的。
3輸出方式
本系統(tǒng)對于氣壓計的輸出設(shè)計了兩種方式，一是串口輸出，二是電壓輸出，這兩種輸出方式可通過跳線進(jìn)行選擇。
3.1串口輸出方式
本設(shè)計采用RS-232串口通信方式實現(xiàn)對氣壓數(shù)據(jù)以及命令的讀人與輸出，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時觀測�？梢蕴峁┒喾N輸出數(shù)據(jù)格式，如ASCH碼、NMEA海洋格式等，跳線配置如表1所示。表1中，1表示跳線接通，0表示跳線斷開。當(dāng)跳線A/B/C都接通時為連續(xù)ASCII碼輸出，數(shù)據(jù)格式的選擇與配置最終由軟件編程實現(xiàn)。
①連續(xù)ASCII碼輸出格式，以hPa為單位輸出，輸出周期可通過命令在0.5～60 s內(nèi)任意設(shè)置。
②查詢ASCII碼輸出方式，當(dāng)收到一個查詢指令Ma!時，氣壓計會立即發(fā)送當(dāng)前的氣壓值，格式與連續(xù)ASCII碼格式一樣。查詢指令Ma!中“a”可以通過命令進(jìn)行改變。這種方式適合于查詢輸出的場合。
③NMEA海洋格式符合標(biāo)準(zhǔn)的海洋數(shù)據(jù)格式，適用于專業(yè)海洋數(shù)據(jù)格式的氣壓值輸出。其輸出數(shù)據(jù)格式如：$ WIXDR，P，1.001 34，B，BARO*74，其中1. 001 34是以bar(lbar=0.1 MPa)為單位的氣壓值，
74是校驗部分。
④軟件設(shè)置輸出方式，是根據(jù)EEPROM中的波特率、輸出速率、輸出數(shù)據(jù)格式等參數(shù)值來進(jìn)行輸出，這主要為特殊用戶考慮。其參數(shù)值可以通過命令修改并存儲于EEPROM，上電后讀取EEPROM的參數(shù)便可按照用戶的要求進(jìn)行氣壓值的輸出。
3.2電壓輸出格式
系統(tǒng)通過跳線來選擇電壓輸出格式。跳線斷開時，為0—2.5 V電壓輸出；跳線接通時，為O~5 V輸出。當(dāng)氣壓P范圍是500～1 100 hPa，輸出電壓U范圍是0～5 000 mV時，氣壓值與輸出電壓值的對應(yīng)關(guān)系為：P=0.12U+500。為了提高分辨率和精確性，可以按實際需求縮小氣壓范圍。
4 實驗結(jié)果及分析
對氣壓計進(jìn)行兩項測試，低功耗測試和數(shù)據(jù)測試。
①功耗測試，分為串口和電壓模式的功耗。分別將本設(shè)計的氣壓計SP-1和YOUNG公司的61302V進(jìn)行比對測試，采用12 V開關(guān)電源進(jìn)行供電，將萬用表串接于電源端，調(diào)到電流檔進(jìn)行上電測試，測試數(shù)據(jù)如表2所示。
②輸出數(shù)據(jù)測試。常溫下，將SP-1和61302V均設(shè)置為串口模式，分別放入700 hPa/900 hPa/1 100 hPa的恒壓箱進(jìn)行測試，同時間記錄200組數(shù)據(jù)，求出平均值和方差。再將其均設(shè)置為電壓0～5V輸出模式，上電測試，記錄數(shù)據(jù)，如表3所示。其理論電壓值的計算公式為U=（P- 500）×5/600，其中P為理論氣壓值。
從上述測試結(jié)果可以看出，對于功耗測試：串口模式下，SP-1比61302V的功耗低；反之，電壓模式下SP-1的功耗較大，與預(yù)期結(jié)果不符。經(jīng)分析：電壓模式下沒有將與串口相關(guān)的芯片置于掉電模式，導(dǎo)致電流偏大。
對于輸出數(shù)據(jù)測試：串口模式下，SP-1的平均值比61302V小，說明SP-1比61302V更準(zhǔn)確，說明SP-1精度更高；SP-1的方差比61302V小，說明SP-1穩(wěn)定性更高。電壓模式下，SP-1與61302V精度相差細(xì)微，達(dá)到模擬精度0.05%的設(shè)計要求。該氣壓傳感器基本滿足設(shè)計要求。對于功耗方面，還需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。
5結(jié)束語
本文中的智能型氣壓傳感器，采用了帶有溫度補(bǔ)償?shù)腗EMS工藝氣壓芯片，通過芯片篩選和軟件標(biāo)定實現(xiàn)了測量的精確性；通過跳線，用戶可以選擇多種輸出方式，提高了產(chǎn)品的靈活性；通過硬件和軟件相結(jié)合，實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗特性。該傳感器的上述特性，使其在海洋氣壓觀測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間，同時也適用于任何對氣壓精度要求較高的戶外場合使用。
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