采用數(shù)字氣壓傳感器實(shí)現(xiàn)氣壓測量系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用研究

1、引言

氣壓測量在儀器儀表、醫(yī)療衛(wèi)生、氣壓計、高度計等工業(yè)設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。而選擇速率快、精度高的傳感器是實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)鍵。結(jié)合課題組的研究任務(wù)，文中主要介紹一款高精度、高分辨率和低功耗的數(shù)字氣壓傳感器SCP1000-D01。該器件可用于微型或者小型無人機(jī)制造氣壓計，易于操作，便于攜帶。

2、性能特點(diǎn)和引腳功能

SCP1000-D01是芬蘭VTI公司的革命性產(chǎn)品。這款基于D-MEMS技術(shù)的絕對壓力傳感器能在正常條件下達(dá)到亞米級別的分辨率和1 m的精度，適合許多商用場合。

SCP1000-D01提供了高精度、高速、低功耗和超低功耗四種測量模式。用戶可以根據(jù)需要自行選擇測量方式。本系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用于無人機(jī)上，對速度有相當(dāng)高的要求，所以綜合考慮選擇了高速模式。通訊接口采用SPI接口。

對于氣壓傳感器應(yīng)用，最重要的是精度高，這樣才能夠滿足實(shí)際需求。SCP1000-D01的絕對壓力精度在-100 Pa～+100 Pa，約-8.5 m～+8.5 m，其溫度精度為1℃～2℃。目前為止，這一精度在微型氣壓傳感器中是最高的。

SCP1000-D01內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換電路，既便于用戶開發(fā)設(shè)計，又減輕了設(shè)計系統(tǒng)的重量和電路的繁瑣，符合當(dāng)前傳感器的使用要求。

高精度模式下測量時。分辨率為1.5 Pa～6 Pa，約0.1 m～0.4 m；在超低功耗模式下分辨率為2 Pa～15 Pa，約0.2 m～1.3 m。而其溫度的分辨率為0.2℃～0.5℃。

SCP1000-D01采用了貼片式設(shè)計和ASIC封裝，功耗相當(dāng)小，其工作電壓為2.4 V～3.3 V。電流最大僅為50 μA，近乎于可以忽略不計。

SCP1000-D01為圓形結(jié)構(gòu)，直徑僅為6 mm。高度僅為1.7 mm。

SCP1000-D01共有16個引腳．其中I/O型引腳

7個，電源型引腳9個。其引腳結(jié)構(gòu)和形狀如圖1所示，中間頂端的是傳感器芯片頭。I/O型（SPI接口）引腳功能如表1所示。TRIG外部觸發(fā)低功耗模式，具體操作是給該引腳一個下降沿信號，若不用，該引腳則接至DVSS。DRDY為輸出中斷信號，用以提示用戶溫度和壓力值已經(jīng)測量，可以讀取。PD引腳為高電平可以使SCP1000-D01長時間保持低功耗模式。SCK、MOSI、MISO和CSB引腳組成了數(shù)據(jù)通訊線。

3、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

SCP1000-D01壓力傳感器包括一個壓力傳感頭和特定用途集成電路。SCP1000-D01壓力傳感器內(nèi)部包含A/D轉(zhuǎn)換器以及存儲氣壓和溫度值的寄存器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

啟動SCP1000-DO1之后首先要進(jìn)行線性化和狀態(tài)檢測，然后選擇測量模式。

3.1 模式選擇

如上所述，SCP1000-D01有四種測量模式，其中高精度、高速、超低功耗模式是以連續(xù)方式進(jìn)行測量工作，而低功耗模式則是以觸發(fā)方式工作的。也就是說啟動低功耗模式測量時需要給TRIG一個上升沿信號或向寄存器OPERATION寫入0X0C：而高精度、高速、超低功耗模式的啟動則是向OPER-ATION寄存器分別寫入0X0A、0X09、0X0B實(shí)現(xiàn)的。連續(xù)測量模式的時序如圖3所示，觸發(fā)測量模式下的時序如圖4所示。

啟動SCP1000-DO1之后首先要進(jìn)行線性化和狀態(tài)檢測，然后選擇測量模式。

3.1 模式選擇

如上所述，SCP1000-D01有四種測量模式，其中高精度、高速、超低功耗模式是以連續(xù)方式進(jìn)行測量工作，而低功耗模式則是以觸發(fā)方式工作的。也就是說啟動低功耗模式測量時需要給TRIG一個上升沿信號或向寄存器OPERATION寫入0X0C：而高精度、高速、超低功耗模式的啟動則是向OPER-ATION寄存器分別寫入0X0A、0X09、0X0B實(shí)現(xiàn)的。連續(xù)測量模式的時序如圖3所示，觸發(fā)測量模式下的時序如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)讀取

選擇好測量模式后需將測量得到的數(shù)據(jù)讀出來，以供使用。引腳DRDY有信號表示可以讀取測量數(shù)據(jù)。

溫度數(shù)據(jù)存儲在TEMPOUT寄存器中的［13：0］，其中第13位是符號位。將其二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制，可利用以下公式得到溫度值：

壓力數(shù)據(jù)存儲在DATARD8寄存器的［2：0］和DATARD16寄存器的［15：0］中。兩個數(shù)據(jù)前后連接組成19位二進(jìn)制數(shù)值。將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，利用以下公式即可得到壓力值。

3.3 寄存器地址描述

SCP1000-D01內(nèi)部集成了多個寄存器，可以存儲相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)，比較重要寄存器的地址如表2所列。

4、 典型應(yīng)用

基于SCP1000-D01和AT89S51單片機(jī)設(shè)計的氣壓計系統(tǒng)電路原理圖如圖5所示。

在工程應(yīng)用中，通過MAX232E實(shí)現(xiàn)單片機(jī)TTL電平與上位機(jī)RS232電平之間的轉(zhuǎn)換，把氣壓信息傳給上位機(jī)，具體電路如圖6所示。

5、 結(jié)束語

介紹了芬蘭VTI公司的氣壓傳感器SCP1000-D01的優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用。SCP1000-D01以高精度、高分辨率、高集成度、低功耗、小體積、小重量的性能，具有極高的科研價值和應(yīng)用價值。

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