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作者：山東大學(xué)控制學(xué)院  盧新彪
內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院  秦補(bǔ)枝

摘要：本文敘述了采用MSC1211制作智能變送器的系統(tǒng)構(gòu)成和工作過(guò)程以及MSC1211的片上ΣΔA/D轉(zhuǎn)換器和ΣΔD/A轉(zhuǎn)換器的使用方法。關(guān)鍵詞：ΣΔ A/D轉(zhuǎn)換器;智能變送器;Flash存儲(chǔ)器

引言
在工業(yè)控制過(guò)程中,經(jīng)常需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,而一般傳感器的輸出信號(hào)較弱,不適合作遠(yuǎn)距離傳輸。為了減小干擾,通常采用4mA~20mA電流輸出的雙絞線變送器。信號(hào)模擬處理的變送器,由于電路的復(fù)雜性的限制,非線性補(bǔ)償效果不理想,很難在全溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償,因此達(dá)不到較高的精度要求。隨著低功耗高精度單片機(jī)﹑ΣΔA/D和ΣΔD/A轉(zhuǎn)換器的日益普及,為高精度的智能變送器的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)途徑。本文介紹了利用美國(guó)德州儀器公司（Texas Instrument）新近推出了一種功能很強(qiáng)的低功耗單片機(jī)制作高精度智能變送器的硬件構(gòu)成及工作原理。

系統(tǒng)硬件構(gòu)成及工作過(guò)程

智能變送器的硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)由壓力傳感器、溫度測(cè)量芯片、低功耗單片機(jī)MSC1211、液晶顯示、編程接口、電源管理和電流輸出等幾部分構(gòu)成。液晶顯示采用并行接口,編程接口采用串行口。由于制作的為兩線制變送器要求在環(huán)路供電時(shí)輸出電流在4~20mA,考慮到其他方面的影響,要求整個(gè)系統(tǒng)的電流在3.5mA左右,這樣在零壓力比較容易調(diào)出4mA,所以在選擇器件時(shí)功耗應(yīng)重點(diǎn)考慮。本系統(tǒng)采用的帶有片上D/A和A/D的單片機(jī)和液晶顯示器均具有省電功能,溫度芯片為單線制低功耗。在設(shè)計(jì)軟件時(shí)讓通訊部分和采樣部分分時(shí)工作,以確保整個(gè)系統(tǒng)在3.5mA左右。MSC1211在2.7~5.25V工作電壓下功耗小于4mW,液晶顯示器的工作電流小于50μA;另外MSC1211可以提供精確的2.5V或1.25V的基準(zhǔn)電壓作為A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓。

系統(tǒng)的工作過(guò)程：從壓力傳感器來(lái)的信號(hào)進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換器,其內(nèi)部具有可編程增益放大器,可根據(jù)輸入信號(hào)的范圍自動(dòng)設(shè)置增益放大倍數(shù),A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬信號(hào)數(shù)字化并進(jìn)行數(shù)字濾波后,由CPU根據(jù)從溫度芯片DS18B20讀來(lái)的溫度信號(hào),從FALSH存儲(chǔ)器中讀取零點(diǎn)、線性度校正系數(shù)后,進(jìn)行溫度補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償,然后根據(jù)量程范圍進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換并將其送到D/A轉(zhuǎn)換器,從而輸出相應(yīng)的電流值,同時(shí)將壓力以相應(yīng)的單位顯示在液晶顯示器上。

MSC1211A/D和D/A轉(zhuǎn)換器
MSC1211的片上A/D轉(zhuǎn)換器是高集成度、八通道差分和單通道24位Σ－ΔA/D轉(zhuǎn)換器,。其內(nèi)部包括儀表放大器、可編程增益放大器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)處理及信號(hào)校準(zhǔn)電路。芯片可以提供自帶高精度標(biāo)準(zhǔn)電壓,精度為0.2%,漂移為5ppm/°C,因此可以節(jié)省空間以及器件成本,也可輸出該電壓標(biāo)準(zhǔn)或外接電壓標(biāo)準(zhǔn)。從而可以對(duì)外部傳感器輸出的0~100mV微信號(hào)進(jìn)行采集。

A/D轉(zhuǎn)換器的設(shè)置:
在利用MSC1211的片上A/D進(jìn)行采樣時(shí),需要設(shè)置的寄存器為多路開(kāi)關(guān)寄存器（ADMUX）、模數(shù)轉(zhuǎn)換控制寄存器（ADCON0~ADCON3）、總和和移位寄存器（Summation/Shift Control）以及ADC偏移量設(shè)置寄存器（OCL~OCH）。ADCON0決定了內(nèi)部放大器的增益和AD轉(zhuǎn)換的參考電壓等。ADCON1確定了AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的極性、數(shù)字濾波方法和計(jì)算模式控制位,ADCON2~3使用來(lái)設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)的速率�？偤秃鸵莆患拇嫫饔脕�(lái)設(shè)計(jì)一次輸出需要進(jìn)行采樣的個(gè)數(shù)如可以設(shè)置為進(jìn)行8次AD轉(zhuǎn)換后取平均值后輸出數(shù)據(jù)。ADC偏移量設(shè)置寄存器是用來(lái)存放零點(diǎn)偏移,以便于進(jìn)行校正。

A/D轉(zhuǎn)換程序舉例：
下面是我們用在智能變送器中的AD采樣程序已經(jīng)在KEILC51V7.05環(huán)境中編譯,并從計(jì)算機(jī)的串口下載到智能變送器的電路板上,能正確采樣并在液晶上顯示和通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的電流值。
#include <REG1210.H>
#define XTAL 843200 // 設(shè)置晶振頻率
#define A_CLK 9
#define DECIMATION 288
void main( )
{
    ACLK=A_CLK; // 設(shè)置模擬時(shí)鐘頻率
    ADCON0=0x31; // 設(shè)置參考電壓和增益倍數(shù)
    ADCON2 = DECIMATION & 0xFF; //設(shè)置AD轉(zhuǎn)換速率每秒10次
    ADCON3=(DECIMATION>>8) & 0x07;
    ADCON1 = 0x01; // 設(shè)置濾波方法
    ADMUX=0X10;
    PDCON&=0x0f7 ; //打開(kāi)AD轉(zhuǎn)換器
    while(1)
{
display((ADRESH); //調(diào)用顯示函數(shù)顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果
display((ADRESM);
display((ADRESL);
}
}

D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)置:
相對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換而言,D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)置就非常簡(jiǎn)單。它需要配置4個(gè)DA轉(zhuǎn)換寄存器（DAC0~DAC3）和DAC裝載控制寄存器。DA轉(zhuǎn)換寄存器控制著相應(yīng)的電壓輸出方式和參考電壓。裝載控制寄存器是用來(lái)控制裝載DA數(shù)據(jù)方式的。

軟件設(shè)計(jì)
智能變送器的軟件部分包括以下幾個(gè)模塊：（1）對(duì)MSC1211進(jìn)行初始化包括對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化、液晶顯器、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的初始化。（2）A/D轉(zhuǎn)換器的校準(zhǔn)包括各通道增益、零點(diǎn)漂移校正。（3）現(xiàn)場(chǎng)壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集（4）壓力傳感器的零點(diǎn)校準(zhǔn),溫度漂移補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償（5）量程轉(zhuǎn)換,D/A數(shù)據(jù)輸出（6）實(shí)時(shí)壓力顯示。軟件流程圖如圖2所示。

表1：不同溫度下的壓力測(cè)試結(jié)果（壓力單位kPa,溫度單位°C）