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MSC1210Y5的便携式高分辨率电子温

2019-07-02 13:30:29 | 来源: 菜谱

MSC1210Y5的便携式高分辨率电子温度计 - 工业/测控

1 总体结构

以MSC1210Y5为核心,利用其内部集成的温度传感器和高精度模/数转换器,基于过采样和求均值的技术,外加液晶显示器和电源等部件,设计了一款简单实用的便携式高精度电子温度计,其结构框图如图1所示。该电子温度计结构简单,使用方便,只需按下电源开关,当前温度就会显示在液晶显示器上。温度数据每隔一定时间更新一次。

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2 硬件设计

2.1 微处理器MSCl210Y5

MSC1210Y5是美国德州仪器公司(Texas Instru—ments)推出的集成数字/模拟混合信号的高性能芯片。芯片集成了大量的模拟和数字外围模块,具有很强的数据处理能力,对要求体积小、集成度高、运算速度快和精确测量的产品是理想的选择。该芯片可广泛用于智能传感器、智能变送器、工业过程控制系统、高精度测重装置、液/气色谱分析、便携式仪器等领域。

MSC1210Y5具有很高的模拟和数字集成度。它内部集成了一个24位的∑一△模/数转换器(ADC)、8通道多路开关、模拟输入通道测试电流源、输入缓冲器、可编程增益放大器(PGA)、温度传感器、内部基准电压源、8位微控制器、程序/数据Flash存储器和数据RAM等。

MSC1210Y5内部集成的温度传感器,可以用来测量温度。它的温度测量原理基于公式:

temp=αxVolts-282.14 (1)

利用公式(1)可以把电压转换为摄氏温度。Volts为ADC测得的电压,α为实验测定的系数,等于2 664.7。

MS哈登连续42场得分全队最高NBA历史第五C1210Y5内部集成的24位分辨率的∑一△模/数转换器部分由模拟多路开关(MUX)、可选择缓冲器(BUF)、可编程增益放大器(PGA)、基准电压源、二阶∑一△调制器和数字滤波器等组成。用户通过控制相应的特殊功能寄存器位就可以控制模/数转换器的所有功能,也可以根据需要将其关闭以降低功耗。

在高精度的测量中,往往对分辨率的要求比较高(16位以上),而传统的Nyquist型ADC(如积分型、逐次比较型、闪烁型等)将面临一系列严重的问题,例如需要复杂的高阶模拟混叠滤波器、定时及幅度误差都极小的采样保持电路等,实现起来困难极大,成本很高。而近年来兴起的∑一△型A/D转换器却能以较低的成本获得极高的分辨率(16位以上);同时,由于∑一△型ADC主要使用了数字技术,除具有数字系统的可靠性和稳定性高等优点以外,还具有线性度好、抗干扰能力强、成本低廉等特点。另外,由于∑一△型ADC采用了过采样技术,不需要抗混叠滤波器,有的还可以直接接收来自传感器的微弱信号,从而节省了信号放大和调整电路。正是由于∑一△型ADC具有这么多优点,因此它在高精度测量中得到了广泛的应用。

∑一△型ADC由两部分构成:第一部分为模拟∑一△调制器,它是∑一△型A/D转换器的核心;第二部分为数字抽取滤波器。图2给出了∑一△型ADC的组成框图。

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图3为∑一△调制器简化原理框图。MSC1210Y5的调制器是一个单回路二阶调制器。调制器的时钟频率(即模拟信号采样频率)fMOD是从晶振频率中分频得到的。其分频倍数可以通过模拟时钟寄存器(ACLK)的FREQ4~O设置,计算公式如下:

fMOD=[晶振频率/(FREQ+1)]/64

这样当晶振频率为11.059 2 MHz时,如果FREQ=8,那么模拟信号采样频率为19 200 Hz。

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数据输出速率可由下面的公式得出:

数据输出速率一模拟采样频率/抽取因子

抽取因子可以通过寄存器ADCON2和ADCON3设置。如果ADCON2和ADCON3的设定值为1 920,那么采样数据的输出率为19 200 Hz/1 920=10 Hz。由于抽取因子比较高,故抗噪声性能增强。

MSC1210Y5的ADC有3种数字滤波器——快速稳定滤波器、Sinc2滤波器和Sinc3滤波器,用户可以通过ADC控制寄存器1(ADCON1) 的SMl~SM0(ADCON1.5~4)位来选择一种具有不同稳定模式的数字滤波器。快速滤波器、Sinc2滤波器和Sinc3滤波器的建立时间分别为 l、2、3个转换周期,因此当输入通道或PGA的值改变时,通常不会同步输出数据,而要等待几个转换周期才能得到正确的转换结果,因此它们的前1、2、3 个采样结果必须丢弃。

为了降低器件和系统的偏移误差和增益误差,往往需要采用校准的方法。MSC1210Y5的ADC提供了5种不同的校准模式。用户可以通过ADCONl寄存器的CAL2~O位来选择校准模式。

ADC转换的时候,可能引入的噪声很多:热噪声、散粒噪声、电源电压变化、基准电压变化、由采样时钟抖动引起的相位噪声以及由量化误差引起的噪声。这些噪声源的噪声功率都是可以改变的。很多技术都可以用来减小噪声,比如改进电路板设计或是在基准电压信号线上加旁路电容。但是ADC总是存在量化噪声,所以一个给定位数的数据A/D转换器的最大SNR由量化噪声(不使用过采样技术时)定义。在正确的条件下,过采样会减小噪声并改善SNR,这将有效地提高测量分辨率的位数。

对于白噪声的情况,采用过采样可以改善信噪比,但是它是以增加CPU的时间和降低数据通过率为代价的。因为在本系统的CPU完全为温度采集服务,并且对实时性要求并非苛刻,所以可以采用过采样的方法来提高精度,并在一定程度上提高温度计的抗干扰能力。MSC1210Y5与ADC相关的特殊功能寄存器 (SFR)如表1所列。

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2.2 液晶显示器

液晶显示器选用的是由深圳市拓普微科技开发有限公司研发的128×96的全图形点阵的液晶显示模块LM9033A。该液晶显示模块能产生四阶灰度的显示效果,此外还具有负向显示、显示视窗移动、图像移动、软件调节对比度等功能。模块采用TAB结构,最大外形尺寸为63.8 mm×47.4 mm×7.3 mm,提供串/并型接口模式,可满足用户对不同接口的需要。此模块的特点有:单电源3.3 V供电,低电压,超低功耗;内建升压电路;高对比度,FSTN型LCD屏;白色LED背光。

LM9033A引脚名称及其功能如表2所列。

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LM9033A提供了串/并两种接口模式,为了节省单片机的引脚,使用了默认的4线SPI串行接口模式,它与MSC1210Y5的连接方式如图4所示。P1.3、P1.4、P1.6作为控制端口分别与CS、RST、RS连接,P1.7作为串行时钟输入引脚与DB6相连,P3.3作为串口与DB7相连。VDD、BLA接高电平3.3 V,RSS接地。

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2.3 电 源

因为设计的是便携式温度计,电源既要保持一定的供电时间,还要具有尽量小的体积。因此选用了1节3 V的普通充电电池。

3 软件设计

软件开发工具为Keil C,程序下载工具为MSC1210Y5的专用调试终端TI Downloader。软件主要包括两部分:温度ADC程序和液晶显示器程序。其中在温度ADc程序中采用了过采样和求均值的算法来进一步提高ADC的分辨率和SNR,以使得温度计能够更加精准并适应更多的测温环境,提高其抗干扰的能力。

3.1 求平均值

通常情况下,由于存在各种干扰,往往降低了ADC转换结果的精度。人们经常采用低通滤波的方法对结果进行处理,如取多次转换结果的平均值作为转换的实际结果。对ADC测量数据求均值等价于一个降采样低通滤波器。求均值的样本数量越大,低通滤波器的选择性越强。MSC12lOY5提供了一个求和/移位寄存器,可以自动完成多次转换结果的平均,从而较少了软件的开销并减轻了CPU的负担。

3.2 温度ADC程序

温度模/数转换部分首先配置ADC,允许进行自校准,然后进入温度的循环采样,最后通过串口传给主机。算法比较简单,如图5所示。

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3.3 液晶显示器程序

液晶显示器程序较长,鉴于篇幅所限,在此不再赘述。

4 数据处理与分析

在不同的时间用该温度计对室温进行测量,每次冬笋的做法冬笋的营养价值测量20组数据,去掉2个最大值和2个最小值后,将剩余的16组数据取平均值,以手持式热棒温度计JM222作为参照,检验该温度计的精度。 JM222的分辨率为O.1℃,准确度为±0.3℃。实验数据如表3所列。

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表3中的实验数据表明,该便携式电子温度计精度较高,完全满足常规环境下测量温度的需要,具有较高的实用价值。下一步的工作是降低该温度计的功耗和成本,并进一步提高其精度和可靠性。

参考文献

1. 邓宏彬.添纳新.李志鹏 MSC1210X 系统级单片机原理与应用 2004

2. 刘军亮.王盛安.蔡树群 基于 MSC1210Y5的多通道数据采集系统 [期刊论文] -国外电子元器件2006(9)

作者:中国科学院南海海洋研究所 刘军亮

来源:单片机与嵌入式系统应用 2009 (1)

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