基于MS5540C的微型氣壓傳感器的設(shè)計(jì)與研究

摘要：為實(shí)現(xiàn)提供氣壓和溫度參數(shù)的高穩(wěn)定性和高準(zhǔn)確性的測量，介紹了MS5540C的特性和工作原理，并給出了基于MS5540C的微型傳感器相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)，提供了部分相關(guān)軟件函數(shù)的設(shè)計(jì)作參考，最后對測量結(jié)果的補(bǔ)償校準(zhǔn)進(jìn)行了討論。試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)具有高穩(wěn)定性和高準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：MS5540C；氣壓；SPI；溫度；校準(zhǔn)

    在工業(yè)領(lǐng)域、科學(xué)研究中，尤其是戶外復(fù)雜的工作環(huán)境中，經(jīng)常需要高精度測量環(huán)境溫度、氣壓。但是傳統(tǒng)的專門的氣壓和溫度測量儀器存在不便攜帶，精度不高的缺點(diǎn)，另外工業(yè)控制環(huán)境和戶外惡劣環(huán)境下對氣壓和溫度測量儀器的影響不可忽略，甚至有時會嚴(yán)重影響測量結(jié)果。電子測量儀器的微型化合低功耗的發(fā)展趨勢，迫切需要具有高穩(wěn)定性、高靈敏度、高分辨率、低功耗、寬溫度范圍的微型便攜式的氣壓和溫度測量儀器的出現(xiàn)。MS5540C是瑞士Intersema公司推出的基于MEMS技術(shù)的數(shù)字壓力傳感器，在微型化低功耗高分辨率方面，以及高穩(wěn)定性和可靠性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。本文介紹了基于MS5540C的的微型氣壓傳感器的硬件和軟件相關(guān)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)葐栴}。

1 MS5540C的特性和硬件電路的設(shè)計(jì)
    MS5540C是SMD混合器件，集成包括精確壓阻式壓力傳感器，電阻式溫度傳感器，16位ADC和數(shù)字濾波器及SPI數(shù)字接口電路等，尺寸6．2 ×6．4 mm，工作溫度為-40～+85℃，工作電流僅為5μA，符合歐洲ROHS認(rèn)證要求，廣泛應(yīng)用于便攜式氣壓計(jì)高度計(jì)，天氣控制系統(tǒng)，GPS接收機(jī)等方面。
    圖1是MS5540C的框圖結(jié)構(gòu)。它具有引腳少接口簡單的特點(diǎn)。MS5540C供電電壓為2．2～3．6 V，與處理器的通訊接口為SPI串行接口，另外還需要一個32．768 kHz的時鐘輸入到MCLK引腳。

    MS5540C可以非常方便地連接到微處理器，特別是帶有SPI接口的處理器，不過微處理器也要選擇-40～85℃工作范圍的工業(yè)級MCU以適應(yīng)復(fù)雜的野外環(huán)境。為了提高穩(wěn)定性和可靠性，我們推薦如圖2所示的電路設(shè)計(jì)。

    對于32．768 kHz的時鐘，不推薦使用晶體或MCU來提供，原因是這種晶體或MCU提高的時鐘在寬范圍溫度條件下并不能保證穩(wěn)定。圖中使用工作范圍為-40～85℃的有源晶振。時鐘晶振的電源與MS5540C相同，并且需要1～10μF之間的濾波電容及1個0．01～0．1 nF之間的去耦電容，并且通過磁珠消除高頻噪聲。晶振輸出端最好加10～33 Ω的匹配電阻。M5540C的電源端必須認(rèn)真處理，如圖2所示，通過增加磁珠消除高頻噪聲，1μF和0．01μF電容實(shí)現(xiàn)濾波和去耦。PCB布局時，0．01μF電容盡量靠近VDD引腳。
    MS5540C的SPI接口與MCU的連接如圖2所示，DIN和DOUT加10 kΩ的上拉電阻，并且在靠近MS5540C的SCLK端加一個15 pF的高頻濾波電容，這對于野外惡劣環(huán)境下消除干擾非常有效。
    M5540C是超低功耗器件，采樣轉(zhuǎn)換期間的功耗也僅為1 mA。

2 MS5540C的程序設(shè)計(jì)
2．1 MS5540C的工作原理
    MS5540C包括一個壓阻式的傳感器和傳感器接口電路。它的主要功能是將壓力傳感器輸出的未補(bǔ)償?shù)哪M電壓轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字值，通過接口電路可以將16位數(shù)字值輸出。共有2個16位數(shù)字值需要輸出，分別是用于氣壓和溫度測量結(jié)果計(jì)算的D1和D2。這兩個16位數(shù)據(jù)結(jié)果是非常粗糙的，必須通過外部處理器進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，才能得到比較精確的結(jié)果。
    每個模塊都會在兩個溫度和兩個氣壓值下進(jìn)行工廠校準(zhǔn)，得到6個補(bǔ)償系數(shù)C1～C6，這6個補(bǔ)償系數(shù)共64 bit，以4個16 bit的字形式儲存在模塊內(nèi)的PROM中。因此，在進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算前，必須先讀出這6個補(bǔ)償系數(shù)。關(guān)于補(bǔ)償系數(shù)在4個16位字中的排列方式，請參看文獻(xiàn)的圖4。
2．2 MS5540C的軟件設(shè)計(jì)
    使用帶有SPI接口的MCU與MS5540C接口，將會使程序設(shè)計(jì)變得簡單。我們以帶有SPI接口的51單片機(jī)STCl2LE5A60S2為例來介紹MS5540C的軟件編程。
    由前所述，4個16位的補(bǔ)償數(shù)據(jù)及2個分別為氣壓和溫度傳感器轉(zhuǎn)換而來的16位結(jié)果數(shù)據(jù)都需要通過SPI來讀取。關(guān)于這些數(shù)據(jù)的讀取，Intersema規(guī)定了一套簡單的通訊協(xié)議，協(xié)議要求處理要先發(fā)命令數(shù)據(jù)，然后才能讀取16位數(shù)據(jù)。命令數(shù)據(jù)包括起始位，設(shè)置位和停止位，各個數(shù)據(jù)有不同的設(shè)置位，另外為了復(fù)位MS5540C，Intersema還提供了一個用于reset模塊的命令，關(guān)于具體的通訊協(xié)議，請參考文獻(xiàn)。
    數(shù)據(jù)定義：
   

    在程序中調(diào)用上述的函數(shù)，編程非常方便。讀出的2個16位數(shù)據(jù)經(jīng)過文獻(xiàn)1提供的校準(zhǔn)公式進(jìn)行校準(zhǔn)后，得到溫度和氣壓的較為精確的測量結(jié)果，其中溫度的結(jié)果精確到0．1℃，氣壓精確到0．1mbar。
    因?yàn)镸S5540C的ADC為16位，溫度測量分辨率可以到0．01℃，對于-40～85℃之間的測量范圍，我們可以將文獻(xiàn)中溫度校準(zhǔn)公式：
    TEMP=200+dT*(C6+50)／1024
    修改為
    TEMP=2000+dT*(C6+50)*10／1024
    這樣得到的結(jié)果可以使分辨率達(dá)到0．01℃。
    程序設(shè)計(jì)需要注意兩點(diǎn)：
    1)MCU發(fā)送命令和讀取數(shù)據(jù)時SPI工作方式是不一樣的，主要是SCLK采樣沿的設(shè)置不同，具體參考文獻(xiàn)；
    2)由于在發(fā)送采樣溫度和氣壓的命令之后，需要等大約35 ms左右，才能讀取到采樣數(shù)據(jù)，所以在發(fā)送命令后，需要等待之后再讀取。
2．3 數(shù)據(jù)的補(bǔ)償
    為了獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，需要對上面的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算公式如圖3，在溫度20℃以下及45℃以上都需要對溫度和氣壓計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行二級補(bǔ)償。圖3中TEMP是精確到0．1℃的結(jié)果。

    另外供電電壓對測量結(jié)果也有影響。供電電壓僅在3．0 V時測量結(jié)果沒有誤差，而大部分情況下MS5540C的電壓可能為3．3 V，這時測量結(jié)果就需進(jìn)行誤差補(bǔ)償。由圖4中的曲線可知，在3．3V供電時，溫度誤差很小，可以忽略不計(jì)。但對于800mbar以上的氣壓的結(jié)果誤差在0．1～0．2之間，故我們建議對于結(jié)果500 mbar以下的氣壓不需補(bǔ)償，500 mbar以上的氣壓結(jié)果需要減去0．1 mbar以進(jìn)行補(bǔ)償。

    由于氣壓與海拔有非常密切的關(guān)系，所以用MS5540C也可以做成高度計(jì)(海拔計(jì))。根據(jù)以下美國大氣1976的公式
   
    可知測量只要出p，就可以算出高度h了。這個公式考慮了溫度的影響，計(jì)算結(jié)果分辨率可以達(dá)到幾個厘米。

3 結(jié)論
    文中介紹了微型數(shù)字傳感器MS5540C的特性和主要功能，并給出了硬件連接電路和注意事項(xiàng)，對于軟件的處理和結(jié)果的補(bǔ)償也進(jìn)行了討論，具有較大的實(shí)用參考價值。實(shí)踐證明，筆者設(shè)計(jì)的電路和軟件在戶外的惡劣環(huán)境下也能很好正常工作，并且測量結(jié)果也是相當(dāng)精確的。