【摘　要】　介紹了采用Σ△A／D轉換器和低功耗單片機構成的數字壓力變送器的系統組成和工作過程以及CS5523A／D轉換器的使用方法。
??? 關鍵詞：Σ△A／D轉換器，變送器，單片機

　　在工業控制領域中，需要對一些參數進行測量，而一般傳感器的輸出信號較為微弱，不宜作遠距離傳輸。為了使信號傳送到遠離現場的控制室時減小干擾，通常采用4mA～20mA輸出的雙線制變送器。信號模擬處理的變送器，由于電路復雜性的限制，非線性補償效果不理想，很難在全溫度范圍內實現溫度補償，因此達不到較高的精度要求。低功耗單片機、高分辨率Σ△A／D轉換器的日益普及，為高精度數字壓力變送器的設計提供了技術途徑。本文介紹了采用Microchip公司的低功耗單片機、Σ△A／D轉換器及4mA～20mA電流輸出D／A轉換器構成的數字壓力變送器的硬件構成及工作原理。
1　系統硬件構成及工作過程
??? 數字壓力變送器的硬件系統組成如圖1所示。

　　系統由壓力傳感器、溫度傳感器、A／D轉換器、CPU、EEPROM、D／A轉換器及液晶顯示器等幾部分組成。A／D、D／A轉換器，EEPROM，液晶顯示器與CPU均使用串行接口。因為系統采用兩線制變送器方案，要求整個系統的電流小于4mA。選擇器件時功耗應作為一個重要的因素考慮，本系統所使用的A／D轉換器、液晶顯示器均具有省電功能，在設計軟件時，可以使各部分分時工作，確保整個系統的工作電流在4mA以內。A／D轉換器使用CS5523Σ△A／D轉換器，其在5V工作電壓下，功耗為5．5mW，當輸入信號范圍為1V、2．5V、5V時功耗僅1．8 mW；CPU采用PIC16C711，其工作電流與時鐘有關，在5V、32kHz時，電流小于100μA；液晶顯示器工作電流小于50μA；D／A轉換器采用AD421，其內部帶有電壓調整電路，外部僅需一只N溝道場效應管即可為系統提供穩定的5V工作電壓，D／A轉換器還可為系統提供1．25 V或2．5 V的基準電壓作為A／D轉換器的參考電壓。
　　系統的工作過程：從壓力傳感器和溫度傳感器來的信號進入到A／D轉換器，其內部具有程控放大器，可根據輸入信號范圍自動設置放大器的增益，A／D轉換器對模擬信號數字化并數字濾波后，由CPU根據當前的溫度，從EEPROM中讀取零點、線性度校正數據，進行壓力傳感器的零點校正、非線性補償。然后根據量程范圍進行量程轉換，將壓力數字量送到D／A轉換器轉換成電流輸出，同時將壓力以kPa為單位顯示在液晶顯示器上。
2　CS5523 A／D轉換器
　　系統中所使用的A／D轉換器是高集成度、四通道16位Σ△A／D轉換器。其內部包括儀器放大器、可編程增益放大器、多路轉換開關、數字濾波器及自校準、系統校準電路。芯片提供負壓產生電路，僅需少量的外圍元件就可以為內部放大器提供負壓，使得A／D轉換器可以對不超過±100mV的雙極性信號進行A／D轉換。
2．1　A／D轉換器寄存器的設置
　　CS5523的寄存器有配置寄存器（ConfigurationRegister）、信道設置寄存器（Channel SetupRegisters）、增益寄存器（Gain Registers）、零點偏移寄存器（Offset Registers）、兩組命令寄存器（CommandRegister）。增益寄存器和偏移寄存器存放A／D轉換器內部放大器的增益、零點漂移校準數據，如果使用增益、零點偏移自校準命令，校準結果自動存放至相應的寄存器中，也可以人工校準增益、零點偏移，然后將校準結果寫入相應寄存器中。一般采用內部自校準方式，當溫度變化時，由軟件控制A／D轉換器進行增益、零點偏移校準。這樣，可以實現實時校準內部程控放大器的增益、零點漂移誤差。
　　配置寄存器用于設置A／D轉換器的工作模式（多次轉換或單次轉換），多次轉換時轉換一次的邏輯信道數，省電模式使能，負壓電路使能及各種標志位。
　　信道設置寄存器用于設置邏輯信道與物理信道的對應關系，轉換速率，各物理信道的輸入信號范圍及輸入信號極性（負壓電路使能時，可以雙極性信號輸入）。信道設置寄存器由4個24位寄存器組成，每個邏輯信道對應12位，共可設置8個邏輯信道。一個物理信道可以對應多個邏輯信道，且多個邏輯信道可以具有不同的轉換速率、輸入信號范圍。因此，在多次轉換模式時，一次轉換可以得到對某一物理信道的多次轉換結果。
　　兩組命令寄存器一組（最高位為0）用于讀寫各物理信道的增益寄存器、偏移寄存器，讀寫配置寄存器、信道設置寄存器以及讀轉換結果。另一組（最高位為1）用于各邏輯信道的增益、零點偏移自校準，增益、零點偏移系統校準及啟動正常轉換。
2．2　工作模式設置
　　CS5523可以設置為多次轉換模式或單次轉換模式。當設置為多次轉換模式時，應將配置寄存器的MC位設置為1，同時要設置多次轉換時，一次轉換的邏輯信道數（對應配置寄存器的深度指針）且設置值應為001，011或111。當設置為單次轉換模式時，配置寄存器的MC位設置為0，配置寄存器的深度指針不起作用，對某一邏輯信道進行轉換直接由命令寄存器的信道指針（ChannelPointer）確定。
2．3　增益、零點偏移自校準
　　做增益、零點偏移自校準時，首先要設置好信道設置寄存器。設置好信道指針后，直接使用校準命令就可以對某一邏輯信道進行增益、零點偏移自校準。值得注意的是如果一個物理信道對應多個邏輯信道，且多個邏輯信道設置的轉換速率、輸入信號范圍不同，A／D轉換器存儲的校準結果為最后一個邏輯信道的校準結果。因此，當使用一個物理信道對應多個邏輯信道方式，擴展模擬輸入通道時，對每個邏輯信道進行A／D轉換時，可能都要進行增益、零點偏移自校準，否則會造成較大誤差。
3　軟件設計
　　整個系統軟件包括如下幾個模塊：（1）系統初始化包括液晶顯示器、A／D轉換器、D／A轉換器的初始化；（2）A／D轉換器校準包括各通道增益、零點漂移校正；（3）壓力、溫度數據采集；（4）壓力傳感器零點校準，非線性補償；（5）量程轉換，D／A數據輸出；（6）壓力顯示
模塊。軟件流程圖如圖2所示。

4　試驗結果
　　我們采用陶瓷壓阻壓力傳感器，其主要技術指標為：量程30kPa，靈敏度2mV／V，零點±0．2mV／V，線性度±0．2％，工作溫度－40℃～＋125℃。A／D轉換器的輸入信號范圍設置為±25mV。考慮到傳感器的線性度誤差能滿足系統精度要求，數據處理僅考慮零點校正。試驗結果見表1。

1　鄭黎明等．智能模擬／數字壓力變送器的研制．自動化與儀表，1999；2：15～17
2　唐慧強．精密壓力變送器的研制．測控技術，1999；18（6）：63～64