Цифровой измеритель давления на базе микросхемы PSoC

Пределы измерений абсолютных датчиков могут лежать в диапазоне от 100кПа до 700кПа. Дифференциальные датчики могут также иметь меньшие (до 4кПА) и большие (до 1000кПа) пределы измерения.

Датчики давления Моторола имеют линейную характеристику преобразования со смещением нуля. В технической документации приводятся диапазоны возможных значений напряжения смещения, соответствующего нулевому давлению, и размаха выходного напряжения, соответствующего изменению входного сигнала во всем диапазоне измерений. Для исключения ошибок, связанных с разбросом номинальных значений начального смещения и чувствительности, в измерительном устройстве должны быть предусмотрены средства калибровки датчиков.

Составляющими погрешности датчиков давления Моторола являются нелинейность, гистерезис при изменении температуры и гистерезис при изменении давления, температурный дрейф начального смещения и чувствительности. Наиболее точные датчики cерии MPX4xxx и MPX6xxx имеют суммарную приведенную погрешность 1,5%.

Инерционность у всех типов датчиков характеризуется временем отклика на скачок входного сигнала 1 мс и временем, необходимым датчику, чтобы войти в рабочий режим после включения питания - 20мс.

Большинство датчиков давления Моторола предназначены для работы в сухом воздухе. Однако, сейчас Моторола также предлагает датчики серии MPXAZ, обладающие повышенной защитой от воздействия среды благодаря введению дополнительного барьера. Эти датчики были разработаны для использования в условиях повышенного загрязнения воздуха на борту автомобиля.

В настоящее время прослеживается тенденция дальнейшей миниатюризации датчиков давления. Так, датчики в появившихся недавно корпусах MiniPack и SSOP c шагом выводов 1,27мм, являются более экономичными и предлагаются по более низким ценам. Появляются новые типы портов для этих миниатюрных корпусов. Развитие также идет по пути увеличения точности датчиков. Так, датчики нового подсемейства MPX6xxx имеют по сравнению со своими предшественниками лучшую термокомпенсацию в области верхней границы температурного диапазона. В ближайшее время ожидается появление датчиков семейства MPXY, которые объединяют в себе функции измерения давления и температуры. Они ориентированы на применение в системах контроля давления в шинах.

Трудно перечислить все возможные приложения датчиков давления Motorola. Они используются в автомобильной и авиационой технике, например, для построения индикаторов уровня топлива, в альтиметрах, измерителях давления масла, измерителях давления воздуха в шинах; в медицине для построения тонометров и спирометров; на производстве на основе датчиков давления строятся, например, уровнемеры, барометры, устройства контроля качества воздушных фильтров; датчики давления применяются также в бытовых пылесосах, стиральных машинах и даже для построения электронных ударных инструментов [1].

 

1.2 Датчики давления SCP1000

 

Датчик давления SCP1000 от компании VTI Technologies – датчик абсолютного давления высочайшей точности, имеющий разрешение 1.5 Па и минимальный ток потребления 10 мкА. Миниатюрные габаритные размеры позволяют использовать его в малых портативных устройствах (рисунок 6).

Рисунок 6 - Датчики давления SCP1000

 

Основные характеристики датчика давления SCP1000:

• диапазон измерений 30 – 120 кПа;
• однополярный источник питания +2.4…3.3 В;
• 4 режима измерений и режим пониженного энергопотребления;
• полностью калиброванный компонент с температурной компенсацией;
• стандартный цифровой выходной интерфейс: SPI или I2C;
• портативные габаритные размеры: диаметр 6.1 мм, высота 1.7 мм;
• максимальное допустимое давление 1 МПа;
• безсвинцовое исполнение, соответствие RoHS.

Датчик поддерживает 4 режима измерений, а также имеет режим пониженного энергопотребления stand-by

1. 17-битное разрешение (8 см атмосферного столба), скорость считывания 2 Гц;
2. 7-битное разрешение (8 см атмосферного столба), скорость считывания 2 Гц, малое энергопотребление (10 мкА/1 Гц);
3. 15-битное разрешение (20 см атмосферного столба), скорость считывания 9 Гц;
4. 15-битное разрешение (20 см атмосферного столба), скорость считывания 9 Гц, сверхнизкое энергопотребление.

Например, в режиме низкого энергопотребления SCP1000 имеет полное разрешение 3 Па и потребляет только 3.5 мкА. Во всех режимах разрешение выходной информации для давления составляет 19 бит, для температуры – 14 бит. Если измерения давления проводятся на разных высотах относительно уровня моря, то на каждый 80 м необходимо сделать поправку –1%.

Датчики SCP1000 – это оптимальное решение для тех приборов с автономным батарейным питанием, где необходимо получить точное атмосферное давление с поправкой на высоту относительно уровня моря. Такие датчики впервые позволяют рассчитать абсолютную высоту, угол уклона и набор высоты, что может быть использовано в спортивных анализаторах (расчет потраченной энергии, эффективность тренировки) или в изучении профиля местности. Кроме того, 4 встроенных режима измерений дают возможность выбрать особое сочетание точности и тока потребления для эффективной оптимизации работы датчика в конкретных условиях эксплуатации.

Благодаря высокой точности, малой мощности потребления и удобства интеграции, датчики давления SCP1000 становятся идеальным решением для спортивного и фитнес инструментария, домашних погодных станций и профессионального медицинского оборудования.

Выпускаются две модели с разными выходными интерфейсами:

1. SCP1000-D01 - 30 – 120 кПа, SPI интерфейс;
2. SCP1000-D11 - 30 – 120 кПа, I2C интерфейс [2].

 

2 Выбор элементной  базы. Обоснование выбора

 

2.1 Микросхема PSoC

 

PSoC (программируемая система на  кристалле) - это микроконтроллеры, в которых помимо процессорного ядра, есть матрица из аналоговых и цифровых блоков, которые являются функционально законченными узлами и могут соединяться между собой. Наличие этих блоков позволяет существенно уменьшить количество внешних электронных компонентов, что особенно сказывается на себестоимости разрабатываемого устройства.  Все функции блоков, внутренние соединения между ними, конфигурация микроконтроллера, и даже контакты ввода вывода могут перепрограммироваться пользователем. Также есть возможность непосредственно во время работы чипа PSoC можно динамически менять внутренние ресурсы, получая при этом функционально новую систему.

PSoC микроконтроллеры построены на базе восьмиразрядного ядра М8С гарвардской архитектуры (в которой память программ и память данных раздельные) и имеют тактовую частоту 24МГц. Встроенное микропроцессорное ядро M8C может тактироваться от внутреннего генератора частоты в диапазоне от 93,7КГц до 24МГц. Встроенные RC генераторы на 24 МГц и 32КГц позволяют приложениям некритичным к высокой стабильности частоты обойтись без внешнего кварца.  Объем ОЗУ, в зависимости от серии, составляет 256 – 2048 байт и более.  Объем ПЗУ также зависит от серии и составляет 2 – 32 Кбайт и более. ПЗУ реализовано на основе перепрограммируемой флэш-памяти, которая допускает до 100000 циклов записи/стирания. Организация флэш-памяти в виде массива из секторов размером 64 (или 128) байт дает дополнительную возможность для эмуляции EEPROM внутри PSoC.

Все микроконтроллеры выпускаются в промышленном температурном диапазоне (минус40С +85С) и в DIP и SMD корпусах (от 8 до 100 и более ножек). Доступны также микросхемы в расширенном температурном диапазоне (минус 40С +105С) [3].

В курсовом проекте была выбрана микросхема типа CY8C29466 со следующими характеристиками:

• Процессор с гарвардской архитектурой, который обладает следующими качествами:

• быстродействие процессора M8C до 24 МГц;
• умножающее устройство 8x8, 32-разрядный накопитель;
• малая потребляемая мощность при высоком быстродействии;
• рабочее напряжение 3,0 В…5,25 В;
• рабочее напряжение от 1,0 В при использовании встроенного импульсного преобразователя;
• промышленный температурный диапазон: -40°C…+85°C.

• Периферийные устройства (блоки PSoC) включающие:

• 12 аналоговых блоков PSoC с полным размахом напряжения, которые содержат:

• АЦП с разрешением до 14 разрядов;

• ЦАП с разрешением до 9 разрядов;
• усилители с программируемым усилителем;
• программируемые фильтры и компараторы.
• 16 цифровых блоков PSoC, которые содержат:

• 8…32-разрядные таймеры, счетчики и ШИМ;
• модули CRC и PRS;
• до 4 полнодуплексных УАПП;
• несколько ведущих или подчиненных SPI;
• схему подключения ко всем линиям ввода-вывода.

• комплексные периферийные устройства.

• Прецизионная программируемая синхронизация, в которую входят:

• внутренний генератор ±2,5% 24/48 МГц;
• 24/48 МГц с опциональным кварцевым резонатором 32,768 кГц;
• опциональный внешний генератор частотой до 24 МГц;
• внутренний генератор для сторожевого таймера и таймера режима сна.

• Гибкая встроенная память со следующими характеристиками:

• 32 кбайт флэш-памяти программ с износостойкостью 50 тыс. записи/стирания;
• 2 кбайт статического ОЗУ для хранения данных;
• внутрисистемное последовательное программирование (ISSP);
• частичное обновление флэш-памяти;
• гибкие режимы защиты;
• эмуляция ЭСППЗУ во флэш-памяти.

• Программируемая конфигурация выводов, которая обладает следующими качествами:

• нагрузочная способность на всех линиях ввода-вывода 25 мА;
• все линии ввода-вывода могут переводиться в одно из следующих состояний: подтягивающий резистор к плюсу или к минусу, высокоимпедансное, двухтактный выход или открытый сток;
• до 12 аналоговых входов на всех линиях ввода-вывода;
• 4 аналоговых выхода с нагрузочной способностью 40 мА на любых линиях ввода-вывода;
• конфигурируемое прерывание на всех линиях ввода-вывода.

• Дополнительные системные ресурсы включающие:

• ведущий, подчиненный и многомастерный интерфейс I2C с частотой синхронизации до 400 кГц;
• сторожевой таймер и таймер режима сна;
• программируемый детектор снижения напряжения;
• встроенная схема супервизора;
• встроенный прецизионный источник опорного напряжения (ИОН).

• Полный набор средств для проектирования, обладающий следующими характеристиками:

• свободное программное обеспечение для проектирования;
• полнофункциональный внутрисхемный эмулятор и программатор;
• полноскоростная эмуляция;
• сложная структура точек прерывания;
• 128 кбайт трассировочной памяти;
• комплексные события;
• Си-компиляторы, Ассемблер и Линкер.

Расположение выводов CY8C29466 в 28-выводном корпусе представлено на рисунке 7:

 

Рисунок 7 - Расположение выводов CY8C29466

 

Описание выводов CY8C29466 приведено в таблице  1 [4].

 

 

 

Таблица 1 - Описание выводов CY8C29466

 

2.2 Датчик MPXAZ4100A

 

Фирма Motorola является одним из лидеров в области производства датчиков давления. Это достигается использованием запатентованного элемента X-duser в качестве основы кристалла датчика, тогда как в традиционных полупроводниковых датчиках давления используются четыре чувствительных к давлению и температуре резистора.

Применяя при создании датчиков давления сочетание таких современнейших методов производства, как лазерная компьютерная настройка, тонкоплёночная металлизация, микромеханическая и биполярная полупроводниковая технологии, компания Motorola добилась наилучшего сочетания себестоимости производимых датчиков давления и их высокой конкурентоспособности за счёт получения высокоточной линейной характеристики аналогового выходного сигнала, пропорционального прилагаемому давлению.

Датчик MPXAZ4100A  сериии Manifold Absolute Pressure (MAP) фирмы Motorola предназначен для измерения абсолютного атмосферного давления. Абсолютные измерения производятся за счет использования подготовки (кондиционирования) сигнала на кристалле, температурной компенсации и калибровки. Температурная компенсация находится в диапазоне от минус 40°C до 125°C, точность ±1,8% в диапазоне температур от 0°C до 85°C при высокой линейности, чувствительности и стабильности смещения. Основные параметры приведены в таблице 2.