采用MPS430f149作為總控制器，設計了高精度微功耗壓力表。電壓傳感器采用恒流源供電，輸出采用a7714進行A/D轉換。采用adr291產生的恒壓作為基準電壓。采用模塊化供電和分時采集數據的策略，降低系統功耗，并采用自行設計的MSSFET電源實現工作模塊的開斷電源。采用基于變化流速的均值濾波對壓力數據進行濾波，采用多點標定對壓力表進行標定。采用簡化的文件系統實現實時壓力數據的存儲和回放。壓力表精度達到0。25%以上，在使用4節5節干電池供電的情況下，正常連續工作時間在3 00h以上。

      隨著壓力測量的應用越來越廣泛，對壓力測量儀器的要求也越來越高。目前在工業現場和科學實驗中應用最廣泛的是彈性壓力表和電子壓力表:彈性壓力表由于發展多年，應是應用廣泛、技術成熟的壓力表，但發展空間較小;隨著測量自動化范圍要求的不斷提高，電子壓力表已成為壓力測量的主流。而如果說信息化的飛速發展在今天對電子壓力計提出了高精度的要求，再加上測量儀器的小型化、便攜化發展，干電池已經成為主要的供電方式，而干電池容量是有限的。這就對測量儀器的微功耗提出了更高的要求。

1系統總體設計

      本系統的目的是設計一個高精度微功耗的數字壓力表，因此高精度和微功耗是本設計的重點和難點，必須從整體設計上加以考慮。系統總功耗一般包括組件級功耗和系統級功耗。有必要從這兩方面入手，以達到系統微功耗的目的。

      系統總體框架主要由電源管道管理模塊、參考電壓模塊、恒流源、壓力數據采集模塊、液晶顯示模塊、串口通信模塊、溫度采樣模塊和關鍵電路組成。

      MSP430系列單片機是一款超低功耗混合信號處理器，該系列單片機可用于電源單元，且等待時間長。所述有源時鐘源使器件實現最低功耗;數字控制激振器(DAC O)允許設備快速從低功耗模式喚醒，并在不到6 lxs的時間內激活到實時工作模式。考慮到本系統的微功耗要求，最終選用MSP430F149作為總控制器。壓力傳感器采用M E A S公司的87N。該傳感器線性度好、溫度誤差小、功耗低，滿足了本系統設計中高精度、小功耗的要求。

2硬件設計

2.1電源管理模塊

      系統采用模塊化供電和時間規劃機制，模塊不工作時可斷開電源，降低功耗。采用MA X 883和MA X 884作為系統的5v和3.3V電源，這兩個鐵芯為低差線性穩壓鐵芯，在最低功耗工作模式下，靜態電流僅為1a。完全可以滿足系統的微功耗要求。

      系統采用1塊MA X 883和2塊MA X 884為系統各模塊供電。在實驗中，一塊MAX 884平板電腦產生了cpu 3。3v為常開狀態，其余兩個電源在壓力表關斷時可由單片機控制。電源開關也設計了N通道和P通道，因為溫度采集模塊和串口通信模塊不常用，所以為這兩個模塊配置了電源開關。通過單片機的I / 0口控制電源開關的通斷，降低功耗。

      另外，由于液晶背光耗電量大，采用電池直接供電的策略，通過MFSF的通斷控制不同電阻值的限流電阻

2. 2壓力數據采集模塊

MSP4 30f149單片機包含一個12位A/D轉換模塊和一個可選的1。2 5v和2。5v是指電壓模塊，所以很多壓力表直接使用內部的A/D模塊和參考電壓。雖然這簡化了系統結構，但直接連接限制了壓力計的精度。系統的壓力數據采集模塊包括壓力數據的采集和轉換，壓力傳感器由恒流源供電，輸出由ad7714放大后變為A/D輸出。d7714的參考電壓由外部參考電壓電路產生。

2. 2. 1考慮電壓電路

      本系統使用的基準電壓由AD-R291產生，AD-R291是一種低噪聲、低功耗的基準電壓芯片。參考電壓電路如圖2所示，它產生2。5V參考電壓的精度在0.12%以上，滿足了本系統的高精度要求。2. Put out通過5V電阻分壓產生1。采用25V作為A/D芯片的參考電壓。為了提高A/D芯片參考電壓的精度，圖2中的R33和R34都采用了1‰的高精度電阻。

圖2為電壓電路

2. 2. 2恒流源電路

      本系統使用的壓力傳感器內部的測量電路為全橋差分電路，橋的電源可以是恒壓源也可以是恒流源。為了減少溫度的陰影，提高測量精度，系統采用恒流源為壓力傳感器供電。

      恒流源電路的核心是opa335，它是一個自動調零，單功率運算放大器。該系統的最大失調電壓為5v，靜態電流為285 A，具有高精度和低功耗的要求。恒流源電路如圖3所示，利用運算放大器的“虛短”和“虛斷”特性，其中電阻R29、R31和R32均為1%。壓力傳感器的高精度電阻產生806a的恒流源，I +和I分量分別為壓力傳感器的正、負電源輸入。測試表明，恒流源在負載阻抗低于5 kQ時穩定可靠，需要系統壓力傳感器供電。

圖3恒流源電路

2. 2. 3 A/D轉換電路

      由于MSP4 30F149單片機內部集成的12位A/D不能滿足全尺寸系統的高精度要求，考慮到系統的微功耗要求，最終選用了24位A/D芯片ad77 14Y RU。該芯片能夠利用和差轉換技術實現高達24位的無差錯編碼性能，與0。15%的非線性。此外，該芯片的內封裝包含一個可編程放大器(PGA)，可將小信號尺寸放大高達128倍，節省了電路中高精度小信號放大電路的設計，簡化了系統結構。

      在設計d7714外電路時，應特別注意數字電源與模擬電源分開供電，數字地線通過O ft電阻后接地，避免彼此干干擾。

3軟件設計

3.1分鐘數據采集

      MSP430有一種主用模式和五種低功耗模式，可以設置從主用模式進入相應的低功耗模式，也可以通過中斷模式進入各種低功耗模式。MSP430在不同工作模式下的功耗差異較大，中低功耗模式3 (LP M3)和低功耗模式4(LM P4)系統的功耗相當低，基本可以忽略不計。

      本系統采用采集時間數據的策略，即根據設定的食物條件采集不同的數據信息，如壓力、溫度、電池電壓等。以壓力數據采集集為例，數據采集不是每個程序周期進行一次，而是根據時間信息進行采集。系統程序設置為每0一次。1s進入間歇中斷，在間歇中斷中退出低功耗模式3，進入活模式，程序循環一次，然后進入低功耗模式3 (LPC3)。同時，在循環中執行程序，以在時間之間做出判斷，例如間隔是否達到0。4秒，讀取A壓力數據，并進行A/D轉換。系統的總程序流程如圖4所示。

3.2變速速率平均濾波波

      實驗結果表明，簡單的均值濾波方法不能滿足系統實時性和穩定性的要求。為此，根據壓力數據的變化率確定閥體的過濾方法。當壓力數據變化較快時，采用少點平均濾波法，保證壓力表顯示數據的實時性。為了保證壓力數據變化緩慢時壓力表顯示數據的穩定性，采用中間部分平均值法對多點進行排序。

首先采集壓力數據，然后判斷連續兩次壓力數據的變化方向是否相同。如果不相同，則直接返回。如果相同，則用遞歸公式將壓力數據分成幾組，然后判斷如下公式:

3.3多點校準和線性插值值

      研究發現，即使普通壓力傳感器采用恒流源供電，其輸出和輸入也不呈現簡單的線性關系，這給校準帶來了困難。對于精度較低的壓力表，一般采用滿量程和零點校準公式。經實際測試，該標定公式不能滿足高精度系統的標定要求。因此，系統采用多點校準公式，用多個線段近似壓力傳感器的輸出曲線(圖5)。

圖5多點標定和線性插值

      系統最終采用11點校準公式，即滿量程0%、10%、20%、…校準完成后，校準數據Cal_D iv [i]存儲在Flash數據存儲中。在計算當前壓力值時，首先將得到的當前壓力數據與標定數據C al-D iv [i]進行比較，得到當前壓力數據所處的區間。采用線性插值法計算當前壓力值:

      實驗得到的全量程、零點標定公式和11點標定公式的對比數據見表1。

      由表1可以看出，兩點標定公式在0點和滿量程點附近精度較高，中間段誤差差較大，精度較低。因此，兩點定標法只適用于精度較低的場合。本系統采用的多點校準公式可以更準確地擬合壓力傳感器的輸出曲線，在大范圍內提高測量精度，滿足系統對高精度壓力測量的要求。

3.4數據存儲和回放

      系統設計了基于MSP430中大容量閃存的數據存儲機制，可以實時存儲壓力表采集的壓力數據和壓力校準值，保證在機器停機或斷電的情況下數據不丟失。并提供數據回放功能，查詢歷史存儲數據。

      由于本系統使用的單片機MSP430 F149內部有64kb的Flash，除了占用其內部資源外，還有60kb的代碼存儲空間和256b的A段和B段信息存儲器。完全滿足系統數據存儲要求。A段信息存儲用于存儲存儲系統的壓力校準值，以確保壓力表校準一次后數據不會丟失。另外，從60KB的代碼存儲空間中預留10KB的空間用于存儲實時壓力數據。在存儲系統中，編寫一個簡單的文檔系統來管理和存儲數據，即采用文檔組的方式來存儲數據。由于存儲空間的限制，系統最多可存儲40個文件，每個文件可存儲20點壓力數據，并添加清零功能，數據滿后，可手動清空整個文件存儲區域。保證數據存儲的連續性。通過實際操作，簡化后的文件系統可以滿足實時數據存儲和查詢回放的功能，也可以將存儲的數據通過RS232通信接口上傳到上位機進行查看。

4結束語

      系統地介紹了高精度、低功耗、可存儲的數字式壓力計的設計，并從硬件和軟件兩個方面分別闡述了實現高精度和低功耗要求的方法，并給出了數據存儲和回放的方法。最后給出了實驗對比數據，并對該壓力表的測量誤差進行了分析。經實驗，該壓力表的測量精度可達0。25%0，在4節5節干電池的條件下，正常連續工作時間可達3 000小時以上。本設計將促進便攜式、微型電能表的發展，并為測量信息電子化、數字化奠定基礎。

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