基于ADuCM360的智能压力变送器设计

周光兵，罗 军，张小军

(上海艾络格电子技术有限公司，上海 201105)

0 引言

压力变送器按照传感器结构组成分类主要有电容式和硅压阻式[1]，其中硅压阻式传感器以其成本低廉、抗干扰能力强、体积小、质量轻、分辨率高等特点[2]正被大量用在工业测量与环境监测方面。目前市场上采用硅压阻式传感器构建的直接安装型压力变送器大多采用模拟电路来实现，比较经典的是用单芯片XTR105来实现的，或者用仪表运放等分立元件来设计，这些方案的优点是成本低，结构简单，但缺点是变送器的测量精度和温度性能方面比起智能型压力变送器要差。智能型硅压力变送器的设计方案大多是传感器加仪表运放再加ADC转换后给MCU进行数据处理，线性温度修正，然后DAC输出4～20 mA模拟信号。这样的方案虽然可以做到高精度，高稳定性，但是整个系统采用了较多的芯片模块，一方面增加了成本，另一方面要做到小体积非常困难。ADuCM360芯片内部集成了PGA放大器，双路24位ADC，ARM CORTEX-M3内核处理器以及恒流源输出模块。非常适合在4～20 mA环路供电智能变送器设计中使用。该设计就是采用ADuCM360与扩散硅压力传感器来实现小巧型、低成本、高性能的智能压力变送器。

1 ADuCM360概述

ADuCM360是完全集成的3．9 KSPS、24位数据采集系统，在单芯片上集成双核高性能多通道Σ-Δ型模数转换器(ADC)、32位ARM CortexTM-M3处理器和Flash/EE存储器。ADuCM360自带一个片内32 kHz振荡器和一个内部16 MHz高频振荡器。微控制器的内核为低功耗ARM Cortex-M3处理器，它是一个32位RISC机器，峰值性能最高可达20 MIPS。Cortex-M3处理器集成了灵活的11通道DMA控制器，支持各种通信外设(SPI、UART和I2C)。片内还集成128 KB非易失性Flash/EE存储器和8 KB SRAM。模拟子系统由双通道ADC组成，每个ADC均连接到一个灵活的输入多路复用器。两个ADC都可在全差分和单端模式下工作。其他的片内ADC功能包括：双通道可编程激励电流源、诊断电流源和偏置电压产生器AVDD_REG/2(900 mV)，可用于设置输入通道的共模电压。低端内部接地开关可在两次转换之间关断外部电路(例如桥电路)。该器件集成一个低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，但在采用比例式测量配置时可配置成接受一或两个外部基准电压源。片内集成了可缓存外部基准电压输入的选项。片内集成一个单通道带缓冲的电压输出DAC。ADuCM360集成了一系列片内外设，可以根据应用需要通过微控制器软件控制进行配置。这些外设包括：UART、I2C和双通道SPI串行I/O通信控制器、19引脚GPIO端口；2个通用定时器；唤醒定时器及系统看门狗定时器。同时提供了一个带6个输出通道的16位PWM控制器。ADuCM360专为要求低功耗工作的电池供电应用而设计。微控制器内核可配置为正常工作模式，功耗为290 μA/ MHz(包括flash/SRAM IDD)。在两个ADC均打开(输入缓冲器关闭)、PGA增益为4、一个SPI端口打开和所有定时器均打开时，系统总电流消耗可以达到1 mA．ADuCM360可以直接通过程序控制配置为多种低功耗工作模式，包括休眠模式(内部唤醒定时器有效)，此时能耗仅为4 μA．在休眠模式下，诸如外部中断或内部唤醒定时器等外设可以唤醒该器件。该模式可让器件在功耗极低的情况下运行，同时仍然响应外部异步或周期事件[3]。该器件采用外部1．8～3．6 V电源供电，额定温度范围为-40～+125 ℃工业温度范围。图1为ADuCM360的功能框图。

图1 ADuCM360内部结构框图

2 硬件设计

由于ADuCM360的封装为QFN48，外形尺寸仅为7 mm×7 mm，非常小巧，而且其内部集成了前置放大、ADC和MCU以及12位DADC，几乎单颗芯片就可以实现完整的变送器方案，因此特别适合在投入式液位变送器等对结构要求比较苛刻的设计中使用。图2为完整的硬件设计原理图。该系统主要由ADuCM360配合XTR115芯片构成，其中ADuCM360负责数据采集、信号处理、A/D转换、智能补偿、线性拟合和DAC输出等工作，XTR115主要负责V/I转换输出4～20 mA电流信号，同时为整个系统提供工作电源。传感器采用硅压阻式压力传感器，信号激励源由ADuCM360内置的恒流源产生，该恒流源输出范围为50～1 000 μA；可由软件任意配置。传感器输出的mV信号经滤波后接入ADuCM360的模拟输入引脚，该差分信号可由ADuCM360内部集成的PGA进行放大后经由芯片内置的Σ-Δ型模数转换器模块转换成数字信号，该PGA的放大倍数可自由编程设定为1、2、4、8、16、32、64、128等。与此同时另一路模拟信号由一个LL4148二极管构成的PN结测温电路组成，其目的是用来测量传感器的工作温度，作为温度补偿时的温度传感器。由于ADuCM360内部集成了2个完全独立的ADC内核，因此可以将压力信号和温度信号分别送入各自的ADC内核同时进行模数转换。转换后的数字信号首先通过ARM CortexTM-M3内核进行数字滤波等处理，然后进行温度补偿修正和线性化拟合，拟合后的A/D值根据标定时计算好的模型公式即可换算出相应的压力值。再根据变送器压力值在量程范围中所占的百分比即可换算成相应的4～20 mA电流值。由于ADuCM360内置了DAC模块，该DAC的分辨率在正常模式下为12位，在插值模式下可以达到14位有效位。当采用芯片内置的1．2 V基准时，该模块的输出范围是0～1．2 V；为此专门设计一个合理的软件换算公式，使压力值为量程下限时DAC模块输出0．204 V，压力值为量程上限时DAC输出1．02 V．该模拟量输出后经由5．1 kΩ限流电阻R3后送入XTR115芯片的2脚，输入XTR115芯片的电流值范围为40～200 μA．由于XTR115的电流输出公式为：

图2 智能压力变送器硬件原理图

Iout=100Iin

式中Iin为XTR115的2脚输入的电流值，μA．

因此XTR115的输出范围为4～20 mA．XTR115输出经由三极管Q1后输出，Q1的作用是增加驱动能力，分担大部分的电流，当供电电压为40 V，输出电流为20 mA时，消耗在Q1上的功率大约为0．8 W，因此Q1要尽可能选用大功率的三极管，而且在线路板布局时尽量远离XTR115芯片和其他芯片并采取合理散热措施，以避免由于Q1发热而带来的温度影响[4-5]。由于ADuCM360完全采用了低功耗设计，在设计中选择主频为1 MHz，定时器0打开，ADC模块和DAC模块以及串口模块均正常工作时的实测功耗约为1．5 mA，传感器激励的功耗最大1 mA，其他XTR115以及LDO芯片等合计约为0．5 mA，整个系统总功耗不超过3 mA，因此系统功耗完全满足设计需要。系统通过UART接口与上位机软件进行通信，从而可以方便地对变送器进行参数设定和组态。

3 软件设计流程图

变送器的软件设计包括传感器信号采集模块、温度补偿模块、线性拟合模块、压力值计算模块、DAC输出控制、UART通信模块等几个部分。变送器系统的线性度和温度影响量是影响整个仪表系统精度的重要指标之一，通过事先建好的数学模型，经过一系列的算法，将原始采集的A/D数据进行温度补偿和线性化补偿，使得补偿后的数据具有线性化误差和温度误差最小的特点。然后再根据用户标定时设定的量程来换算出对应的输出电流信号。图3为变送器软件设计的主程序流程图。

图3 变送器软件模块主程序流程图

4 结束语

针对工业过程控制系统中对小巧型高性价比智能变送器的需求，给出了一种利用ADuCM360与XTR115构成的智能压力变送器电路设计方法。经实测表明采用该方案制成的压力变送器精度可达0．1%F．S，量程比为10∶1，温度影响量小于0．1%/10℃．该方法采用高集成度单芯片方案代替了多芯片设计，大大提高了电路板模块的集成度，缩小了电路板体积，同时又具有低价格、智能化、高性价比等特点，在工业测量中具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]樊宽林．我国压力变送器的产品现状和出路．自动化仪表，2007，28(9)：92-93．

[2]闫超，李忠醒，毛超明，等．硅压阻式传感器智能数字补偿系统．仪表技术与传感器，2010(11)：10-12．

[3]ADuCM360/ADuCM361 Data Sheet(Rev B)．[2013-07-07]．http：//www．analog．com．

[4]XTR115，XTR116：4-20 mACurrent Loop Transmitters (Rev．A)(2003-07-21)http：//www．ti．com/product/xtr115．

[5]昝勇，罗永红，王沛莹．XTR115电流环电路原理及应用．电子设计工程，2011，19(8)：190-191．

作者简介：周光兵(1980-)，主要从事工业自动化仪表与测控系统的研究开发工作。E-mail：jun．luo@analogsystems．com．cn

罗军(1976-)，工程师，主要从事工业自动化仪表与测控系统的研究开发工作。E-mail：jun．luo@analogsystems．com．cn