MPXM2010的压力测控系统及其精度改进发方法

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引 言
　　Freescale公司生产的MPXM2010器件是一种硅压阻式压力传感器。MPXM2010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0～10 kPa，精度可达士0.01 kPa；

◇在0～85℃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。