MPXM2010的压力测控系统及其精度改进

摘  要：压力测控系统是嵌入式应用中常见的应用模块之一，被广泛地应用于现代工业的各种测控系统中。本文介绍基于Freescale公司生产的压力传感器MPxM2010、微控制器68HC908QT4等低成本器件设计的压力测控系统，并在硬件成本几乎不增加的情况下，通过搭配简单的模拟电路和软件上的编程，增加系统测量精度。文中对精度改进前后的系统做了数值计算上的比较，从具体数值上说明系统精度有明显的提高。文中介绍的方法还可应用于A／D转换的其他应用环境，对降低系统成本大有裨益。

关键词：68HC908QT4  MPxM2010硅压阻传感器  A／D转换精度提高

引  言

    Freescale公司生产的MPXM2010器件是一种硅压阻式压力传感器。MPXM20lO精度很高，输出电压与输人的压力具有良好的线性关系。这种传感器是一块单片集成电路，集成有压力应变仪及膜阻网络，并带有激光式微调模块进行温度补偿和偏移佼正微控制器68HC908QT4则是一款低端的8位微控制器，有4路8位的A／D转换通道和16位的PWM模块，可以用于A／D和D／A转换。

   
    将两种芯片结合到一起可组成一套实用的低成本压力测控系统。美中不足的是它的精度低了一些，如果将A／D位数提高则会使成本大大增加。通过硬件搭配和软件上的编程可以弥补这一缺点，即不增加硬件开销而且可以提高产品性能。

1  压力传感器模块设计

    Freescale公司生产的MPXM2010器件是一种硅压阻式压力传感器，其内部原理如图l所示。MPXM2010精度很高，输出电压与输入的压力具有良好的线性关系。这种传感器是一块单片集成电路，集成有压力应变仪及膜阻网络，并带有激光式微调模块进行温度补偿和偏移校正。

    MPXM2010特点如下：

    ◇压力测量范围为O～10 kPa，精度可达士O．01 kPa；

    ◇在O～85℃之间具有温度补偿功能；

    ◇输出信号与压力的线性关系良好；

    ◇传感器接触面可选择是否带引出管口；

    ◇有Tape＆Reel的易用封装形式，具体样图如图2所示。

    MPXM2010的输出信号比较弱，需要另加1片MOC2A60，将小信号放大，直流变为交流。这样就可以直接控制电机切断或是接通电源。在调试模块时，将各部分分离开来便于调试。运放采用MC33179，再配接一些电阻，就可以把压力传感器的信号输出，并且可以通过调节阻值来调节输出信号的大小。图3和图4是压力传感器模块设计的原理图和PCB板图。

2  压力测控系统设计及其精度改进

2.1  直联式压力测控系统

    通常情况下，使用68HC908QT4的A／D模块即可完成设计，只要把压力传感器模块的输出端接至68HC908QT4的A／D模块输入端即可。图5给出了压力测控系统的框图。

    微控制器68HC908QT4特点如下：

    ◇4 KB Flash存储器、128 B的RAM存储器；

    ◇4路8位A／D转换器、16位PWM模块；

    ◇价格便宜，批量1000片以上每片的价格可降至1美元以下。

    MPXM2010测量范围为0～10 kPa，将其输出电压信号限制在0～5 V，则其精度为：

    S=5 V／10 kPa=500 mV／kPa

    68HC908QT4的A／D为8位，电压限制5 V，则其精度为：

    R=5 V／(20—1)bit≈19．61 mV／bit

    整个系统的压力精度为：

    R／S=19．61／500 kPa／bit=0．039 22 kPa／bit

    如果要提高精度，将A／D升为10位，则精度为：

    R／S=O．03 922X(28—1)／(210—1)kPa／bit=0．009 776 kPa／bit

    A／D升为12位后，精度为：

    R／S=0．039 22×(28—1)／(212—1)kPa／bit=0．002 442 kPa／bit

    这样做确实可以提升精度，但要增加硬件的开销。利用68HC908QT4的PWM模块作为D／A转换器，可以巧妙地提高A／D变换的精度。

2.2  改进后的压力测控系统

    误差产生的原因就是在A／D处，将小数点后的部分舍去，比如176．51 bit会当作176 bit来处理。解决问题也应该从这里人手，把误差缩小。

   
　 误差的引出可以用D／A来解决，把A／D读进来的数据再用D／A处理一次送出来，和原来的数据做一次减法就可以得到。误差没法直接再送回A／D，但可以将其放大后再送回，再使用68HC908QT4中的另一路A／D将放大后的误差进行A／D变换，MCU得到结果后缩小相同的倍数，与原A／D变换结果相加，便是更精确的结果。图6中，整个系统可分为压力传感器模块、模拟部分、单片机部分和输出电路部分，精度提高的关键在模拟部分的设计．如图7所示。假设放大器G的放大倍数为10。A／D的性能本身并没有提升，精度仍为R=19．61 mV／bit，这个值也就是极限值。放大10倍后，原来的最大误差19．6l mV／bit被扩大为196．1 mV／bit，A／D处理的是放大后的数据，其能力就被放大了10倍。数据处理时又会将其除以lO恢复，从整体上来看就好像精度R除以10了一样，变为1．961 mV／bit。

    例如：初始A／D变换的误差为10 mV，经过放大后变为100 mV，此时再经过A／D变换，第二次遗留的误差为100 mV一19．61 mV／bit×5 bit=1．95 mV，再除以10后变为0．195 mV。误差大大地减小了，其极限值就是原精度的十分之一。

   
    G的放大倍数可以自己调整，但要符合所选微处理器的性能以及电路本身的精度，选的过高没有实际意义。

    图7所示的电路中，Vm、D、Vc与图6所示相同。其中D的计算值为：

    D=(Vm—Vc)×(R14／R13)[l+(R17／R16)]

    G的放大倍数为(R14／R13)[1+(R17／R16)]。

结语

    在产品设计研发过程中，成本是很重要的因素。巧妙地利用微控制器内的模块，辅助以相应的简单模拟电路，可以大大提高芯片的利用效率，并能提升系统性能。多利用手头的东西进行改进再创造，往往能得到事半功倍的效果。