采用MPS430f149作为总控制器，设计了高精度微功耗压力表。电压传感器采用恒流源供电，输出采用a7714进行A/D转换。采用adr291产生的恒压作为基准电压。采用模块化供电和分时采集数据的策略，降低系统功耗，并采用自行设计的MSSFET电源实现工作模块的开断电源。采用基于变化流速的均值滤波对压力数据进行滤波，采用多点标定对压力表进行标定。采用简化的文件系统实现实时压力数据的存储和回放。压力表精度达到0。25%以上，在使用4节5节干电池供电的情况下，正常连续工作时间在3 00h以上。

      随着压力测量的应用越来越广泛，对压力测量仪器的要求也越来越高。目前在工业现场和科学实验中应用最广泛的是弹性压力表和电子压力表:弹性压力表由于发展多年，应是应用广泛、技术成熟的压力表，但发展空间较小;随着测量自动化范围要求的不断提高，电子压力表已成为压力测量的主流。而如果说信息化的飞速发展在今天对电子压力计提出了高精度的要求，再加上测量仪器的小型化、便携化发展，干电池已经成为主要的供电方式，而干电池容量是有限的。这就对测量仪器的微功耗提出了更高的要求。

1系统总体设计

      本系统的目的是设计一个高精度微功耗的数字压力表，因此高精度和微功耗是本设计的重点和难点，必须从整体设计上加以考虑。系统总功耗一般包括组件级功耗和系统级功耗。有必要从这两方面入手，以达到系统微功耗的目的。

      系统总体框架主要由电源管道管理模块、参考电压模块、恒流源、压力数据采集模块、液晶显示模块、串口通信模块、温度采样模块和关键电路组成。

      MSP430系列单片机是一款超低功耗混合信号处理器，该系列单片机可用于电源单元，且等待时间长。所述有源时钟源使器件实现最低功耗;数字控制激振器(DAC O)允许设备快速从低功耗模式唤醒，并在不到6 lxs的时间内激活到实时工作模式。考虑到本系统的微功耗要求，最终选用MSP430F149作为总控制器。压力传感器采用M E A S公司的87N。该传感器线性度好、温度误差小、功耗低，满足了本系统设计中高精度、小功耗的要求。

2硬件设计

2.1电源管理模块

      系统采用模块化供电和时间规划机制，模块不工作时可断开电源，降低功耗。采用MA X 883和MA X 884作为系统的5v和3.3V电源，这两个铁芯为低差线性稳压铁芯，在最低功耗工作模式下，静态电流仅为1a。完全可以满足系统的微功耗要求。

      系统采用1块MA X 883和2块MA X 884为系统各模块供电。在实验中，一块MAX 884平板电脑产生了cpu 3。3v为常开状态，其余两个电源在压力表关断时可由单片机控制。电源开关也设计了N通道和P通道，因为温度采集模块和串口通信模块不常用，所以为这两个模块配置了电源开关。通过单片机的I / 0口控制电源开关的通断，降低功耗。

      另外，由于液晶背光耗电量大，采用电池直接供电的策略，通过MFSF的通断控制不同电阻值的限流电阻

2. 2压力数据采集模块

MSP4 30f149单片机包含一个12位A/D转换模块和一个可选的1。2 5v和2。5v是指电压模块，所以很多压力表直接使用内部的A/D模块和参考电压。虽然这简化了系统结构，但直接连接限制了压力计的精度。系统的压力数据采集模块包括压力数据的采集和转换，压力传感器由恒流源供电，输出由ad7714放大后变为A/D输出。d7714的参考电压由外部参考电压电路产生。

2. 2. 1考虑电压电路

      本系统使用的基准电压由AD-R291产生，AD-R291是一种低噪声、低功耗的基准电压芯片。参考电压电路如图2所示，它产生2。5V参考电压的精度在0.12%以上，满足了本系统的高精度要求。2. Put out通过5V电阻分压产生1。采用25V作为A/D芯片的参考电压。为了提高A/D芯片参考电压的精度，图2中的R33和R34都采用了1‰的高精度电阻。

图2为电压电路

2. 2. 2恒流源电路

      本系统使用的压力传感器内部的测量电路为全桥差分电路，桥的电源可以是恒压源也可以是恒流源。为了减少温度的阴影，提高测量精度，系统采用恒流源为压力传感器供电。

      恒流源电路的核心是opa335，它是一个自动调零，单功率运算放大器。该系统的最大失调电压为5v，静态电流为285 A，具有高精度和低功耗的要求。恒流源电路如图3所示，利用运算放大器的“虚短”和“虚断”特性，其中电阻R29、R31和R32均为1%。压力传感器的高精度电阻产生806a的恒流源，I +和I分量分别为压力传感器的正、负电源输入。测试表明，恒流源在负载阻抗低于5 kQ时稳定可靠，需要系统压力传感器供电。

图3恒流源电路

2. 2. 3 A/D转换电路

      由于MSP4 30F149单片机内部集成的12位A/D不能满足全尺寸系统的高精度要求，考虑到系统的微功耗要求，最终选用了24位A/D芯片ad77 14Y RU。该芯片能够利用和差转换技术实现高达24位的无差错编码性能，与0。15%的非线性。此外，该芯片的内封装包含一个可编程放大器(PGA)，可将小信号尺寸放大高达128倍，节省了电路中高精度小信号放大电路的设计，简化了系统结构。

      在设计d7714外电路时，应特别注意数字电源与模拟电源分开供电，数字地线通过O ft电阻后接地，避免彼此干干扰。

3软件设计

3.1分钟数据采集

      MSP430有一种主用模式和五种低功耗模式，可以设置从主用模式进入相应的低功耗模式，也可以通过中断模式进入各种低功耗模式。MSP430在不同工作模式下的功耗差异较大，中低功耗模式3 (LP M3)和低功耗模式4(LM P4)系统的功耗相当低，基本可以忽略不计。

      本系统采用采集时间数据的策略，即根据设定的食物条件采集不同的数据信息，如压力、温度、电池电压等。以压力数据采集集为例，数据采集不是每个程序周期进行一次，而是根据时间信息进行采集。系统程序设置为每0一次。1s进入间歇中断，在间歇中断中退出低功耗模式3，进入活模式，程序循环一次，然后进入低功耗模式3 (LPC3)。同时，在循环中执行程序，以在时间之间做出判断，例如间隔是否达到0。4秒，读取A压力数据，并进行A/D转换。系统的总程序流程如图4所示。

3.2变速速率平均滤波波

      实验结果表明，简单的均值滤波方法不能满足系统实时性和稳定性的要求。为此，根据压力数据的变化率确定阀体的过滤方法。当压力数据变化较快时，采用少点平均滤波法，保证压力表显示数据的实时性。为了保证压力数据变化缓慢时压力表显示数据的稳定性，采用中间部分平均值法对多点进行排序。

首先采集压力数据，然后判断连续两次压力数据的变化方向是否相同。如果不相同，则直接返回。如果相同，则用递归公式将压力数据分成几组，然后判断如下公式:

3.3多点校准和线性插值值

      研究发现，即使普通压力传感器采用恒流源供电，其输出和输入也不呈现简单的线性关系，这给校准带来了困难。对于精度较低的压力表，一般采用满量程和零点校准公式。经实际测试，该标定公式不能满足高精度系统的标定要求。因此，系统采用多点校准公式，用多个线段近似压力传感器的输出曲线(图5)。

图5多点标定和线性插值

      系统最终采用11点校准公式，即满量程0%、10%、20%、…校准完成后，校准数据Cal_D iv [i]存储在Flash数据存储中。在计算当前压力值时，首先将得到的当前压力数据与标定数据C al-D iv [i]进行比较，得到当前压力数据所处的区间。采用线性插值法计算当前压力值:

      实验得到的全量程、零点标定公式和11点标定公式的对比数据见表1。

      由表1可以看出，两点标定公式在0点和满量程点附近精度较高，中间段误差差较大，精度较低。因此，两点定标法只适用于精度较低的场合。本系统采用的多点校准公式可以更准确地拟合压力传感器的输出曲线，在大范围内提高测量精度，满足系统对高精度压力测量的要求。

3.4数据存储和回放

      系统设计了基于MSP430中大容量闪存的数据存储机制，可以实时存储压力表采集的压力数据和压力校准值，保证在机器停机或断电的情况下数据不丢失。并提供数据回放功能，查询历史存储数据。

      由于本系统使用的单片机MSP430 F149内部有64kb的Flash，除了占用其内部资源外，还有60kb的代码存储空间和256b的A段和B段信息存储器。完全满足系统数据存储要求。A段信息存储用于存储存储系统的压力校准值，以确保压力表校准一次后数据不会丢失。另外，从60KB的代码存储空间中预留10KB的空间用于存储实时压力数据。在存储系统中，编写一个简单的文档系统来管理和存储数据，即采用文档组的方式来存储数据。由于存储空间的限制，系统最多可存储40个文件，每个文件可存储20点压力数据，并添加清零功能，数据满后，可手动清空整个文件存储区域。保证数据存储的连续性。通过实际操作，简化后的文件系统可以满足实时数据存储和查询回放的功能，也可以将存储的数据通过RS232通信接口上传到上位机进行查看。

4结束语

      系统地介绍了高精度、低功耗、可存储的数字式压力计的设计，并从硬件和软件两个方面分别阐述了实现高精度和低功耗要求的方法，并给出了数据存储和回放的方法。最后给出了实验对比数据，并对该压力表的测量误差进行了分析。经实验，该压力表的测量精度可达0。25%0，在4节5节干电池的条件下，正常连续工作时间可达3 000小时以上。本设计将促进便携式、微型电能表的发展，并为测量信息电子化、数字化奠定基础。

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