低功耗智能传感器的设计

在工业控制过程中，经常需要对一些参数进行测量，而一般传感器的输出信号较弱，不适合作远距离传输。为了减小干扰，通常采用4～20mA电流输出的双绞线变送器。信号模拟处理的变送器，由于电路的复杂性的限制，非线性补偿效果不理想，很难在全温度范围内实现温度补偿，因此达不到较高的精度要求。随着低功耗高精度单片机、Σ-Δ ADC和Σ-ΔDAC的日益普及，为高精度的智能变送器的设计提供了技术途径。  

本文介绍的单片传感信号接口设计采用了德州仪器公司新近推出的一款多功能的微控制器MSP430F2013，它内部集成了16位的Σ-ΔADC。 2kb的程序空间和128b的数据存储空间，可以完成数据的智能采集，并采用差分传输方式进行数据的传输。数据按帧进行传输，传输过程中采用CRC检验进行差错控制。  

MSP430F2013的结构特点  

MSP430F2013是TI公司MSP430系列的一款微控制器， 它具有以下结构特点：16位的RISC CPU、16位的寄存器和常数发生器，可以获得很高的代码效率；五种低功耗模式，在便携式的测量应用中可以延长电池的使用寿命；数控振荡器（DCO）使得从低功耗模式切换到正常模式只要不到1μs；一个16位的定时器；10个I/O口；具备同步通信协议（SPI或者I2C）；一个16位的Σ-Δ ADC。  

MSP430F2013的典型应用是传感系统捕获模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，然后利用数字信号作屏幕显示或者将数字信号传输到一个主机系统中用作其他处理。  

系统介绍  

常见的模数转换电路对模拟信号要进行信号放大，而且一般都要设计一个与单片机的接口电路，本系统具有很高的集成度，单片即可完成信号的放大、模数转换，软件滤波，同时实现了一个单线协议，直接可以和高档计算机进行通讯，无须设计与单片机的接口电路。  

MSP430F2013是一个低功耗的器件，当运行在1MHz的时钟条件下，系统的工作电流为220μA，而待命模式的工作电流仅为0.5μA，保持 RAM的节电模式的工作电流更是只有0.1μA，这样的低功耗完全可以利用电池供电，适合于便携式的测量。  

本系统利用MSP430F2013进行智能数据采集，从前端传感器采集来的数据经过程控增益放大器进行放大，随后进入模数转换器进行模数转换，转换完成后以异步串行的方式输出。图1是整个系统的原理图。  



图1 系统原理图  

为简化系统，同时避免外部晶振对系统的影响，系统采用内部DCO作为时钟，系统利用差分传输数据，无需进行数据的隔离。本应用中配置传输速率为 9600b/s，可以用串口设定匹配的波特率进行接收。  

无论系统采用内部参考电压还是外部参考电压，输入电压都有相应的范围，所以前端模拟量的输入要用稳压管进行限幅。  

系统可以根据外界信号的大小调节转换的精度，只需拉高P2.6同时调节外部输入的模拟量为所测量的最大值，这时系统将自动调整PGA（程控增益放大器）。
  
由于采用半双工的差分传输，系统很容易进行扩展，系统可以利用多个传感器组成一个传感器网络，通过总线控制传感器采集数据。  

系统软件  

系统的软件流程图如图2所示。  


  
图2 系统软件流程图  

初始化  

初始化部分主要完成以下功能。  

负责系统时钟的初始化，使系统工作频率为DCO指定的标准8MHz时钟。  

配置系统的端口，由于芯片引脚功能复用，这一过程就显得尤为重要。通过设定SD16AE和SD16INCTL0，使得P1.0和P1.1的工作状态分别为 A0+、A0-。设定P2.6、P2.7为通用IO口，其中P2.6用作调整PGA的控制信号，P2.7用作数据传输的通道。  

初始化系统的AD转换器，采用系统内部的参考电压，由于输入频率最多只能为1.1MHz，故将系统主频率8分频输入。MSP430F2013中ADC没有输入缓存，在缓存模式选择中关闭缓存。系统用来测量连续变化的物理量，设定系统为连续转换模式。  

测量  

测量时打开中断，当有测量结果产生时，产生中断，中断标志位置位，测量结果存放在转换结果寄存器中，当从转换结果寄存器中读出测量结果后，中断标志位自动复位。所以读取转换结果时只需查询中断标志位即可。  

测量结果滤波采用中位值平均滤波法，每个测量值采样10次，去除最大值和最小值，其余8个值取算术平均值。  
  
这种算法能够有效地克服因偶然因素引起的波动干扰，尤其适用于温度、液位等变化缓慢的物理量。  

测量时使用内部参考电压，测量信号的电压输入范围为0～500mV，当输入信号满量程输入，模数转换输出的最高位不为1时，可进行信号放大，最大放大倍数可达32。当输入信号的放大倍数为N时，输入信号的范围会相应地缩小为原来的1/N。例如，当选择PGA的放大倍数为2倍时，测量信号的电压输入范围为 0～250mV。  

整个测量过程用伪代码表示如下。  

int measure (void)
{
int i；
if ( SET==1 )
{
调整增益；
}
For (i=0;i＜10;i++)
{
等待转换结果产生；
读取并保存转换结果；
}
累加转换结果；
查找最大值与最小值；
中位值平均滤波；
返回测量结果；
}