基于MAX1454的壓力變送器設(shè)計

浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 張 焱 馮劍橋 樓小龍

基于MAX1454的壓力變送器設(shè)計

浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 張 焱 馮劍橋 樓小龍

本設(shè)計采用的信號調(diào)理控制芯片是美國Maxim公司生產(chǎn)的MAX1454，該芯片內(nèi)含溫度傳感器和ADC、DAC轉(zhuǎn)換電路可使得壓力變送器的體積進(jìn)一步減小，成本降低。壓力、溫度信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，通過對芯片的編程實現(xiàn)了信號的溫度補償，最終壓力以0.5～4.5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號輸出。測試結(jié)果表明壓力變送器經(jīng)過補償以后，在-20～80℃的溫度范圍內(nèi)輸出信號與壓力成較好的線性關(guān)系，測量的誤差小于0.3%。

信號調(diào)理芯片；壓力變送器；溫度補償

1.信號調(diào)理控制芯片簡介

MAX1454是美國Maxim公司在MAX1452基礎(chǔ)上改進(jìn)推出的一款高度集成的模擬傳感器控制芯片。該控制芯片提供放大、校準(zhǔn)和溫度補償功能。它內(nèi)含一個可編程的傳感器激勵，一個32級可編程增益放大器(PGA)，一個2K*8位內(nèi)部快閃記憶體，四個16位DAC，片上溫度傳感器。此外，為了抵消和跨度補償，同時提供了一個偏移量TC和FSO TC[1]。

老款MAX1452適合靈敏度較高的擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器，若采用陶瓷壓阻式壓力傳感器，則需要運用其內(nèi)部運算放大器才能實現(xiàn)，具有一定的局限性[2]。而MAX1454其可支持的傳感器靈敏度范圍擴(kuò)展為1mV/V至200mV/V，其放大倍數(shù)增大至2048倍，因此具有較好的通用性。其自帶的45V的過壓保護(hù)和反向電壓保護(hù)至45V功能進(jìn)一步減少了有過壓和反向保護(hù)要求的PCB布局。

2.系統(tǒng)原理

如圖1所示。MAX1454控制芯片通過IN+，N-采集陶瓷壓阻式壓力傳感器輸出的壓力差分信號，芯片內(nèi)部的溫度傳感器采集溫度信號。MAX1454以此為溫度變址進(jìn)行寄存器（OFFSETDAC和FSOTCDAC）查詢。壓力差分信號的初步偏移量在信號放大器輸入端粗調(diào)，再通過運算放大器（PGA）進(jìn)行放大后得到0.5-4.5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號的形式輸出。

3.硬件設(shè)計

圖1 系統(tǒng)原理圖

表1 補償之后的壓力變送器在不同溫度下的輸出的電壓值

圖2 硬件組成原理圖

圖3 溫度補償設(shè)計軟件流程圖

MAX1454的開發(fā)工作主要體現(xiàn)在若干寄存器的配置，因此所用外圍器件很少。所有的外圍器件很少，整個系統(tǒng)僅由控制芯片MAX1454和若干濾波電容、電阻，壓力傳感器組成。陶瓷壓阻式壓力傳感器的激勵源利用芯片內(nèi)部配置的激勵源和外部的濾波電容C4、C5、C6實現(xiàn)。如圖2所示。

控制芯片引腳13VDDF和引腳14VDD通過20歐姆的電阻R1連接，引腳13VDDF通過0.1uF電容連接至GND。系統(tǒng)的電源從外部+5V直接經(jīng)濾波電容C1由VCC接入。外殼地EARTH與地GND通過電容Cef連接。為了改善通訊質(zhì)量，引腳12OUT/DIO可選一個輸出EMI抑制C3。

4.軟件設(shè)計

溫度補償?shù)能浖幊淌窍到y(tǒng)設(shè)計的核心，它決定了系統(tǒng)的精度[3-4]。補償?shù)倪^程分為2個部分：常溫預(yù)校準(zhǔn)過程和溫度補償過程。

在補償之前，先要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，即初始化。目標(biāo)輸出為0.5～4.5V。因此初始化設(shè)置輸出量程Span為4V，目標(biāo)偏移UZ為0.5V，OTCDAC和FSOTCDAC為0000hex，OFFDAC為4000hex，F(xiàn)SODAC為4000hex，PGA為1。

由于不同的陶瓷壓阻式壓力傳感器橋路電阻、靈敏度等參數(shù)存在較大的差異，需要在使用前進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，以保證MAX1454內(nèi)部電路工作在線性和可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)。

在預(yù)校準(zhǔn)之后，就可以進(jìn)行正式補償了。MAX1454理論上最多可以進(jìn)行114個點的溫度補償。如果只進(jìn)行一點補償，則寫入E2PROM中所有空間的補償數(shù)據(jù)都相同。進(jìn)行兩點溫度補償時，則會對不同溫度點的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)做線性化擬合。進(jìn)行三點及以上的溫度補償時，對不同的溫度點的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次擬合[5]。

在進(jìn)行溫度補償前，先把壓力變送器放置在恒溫箱內(nèi)一段時間（或者當(dāng)MAX1454內(nèi)部溫度傳感器的測試溫度與需補償溫度點一致）后就可以進(jìn)行補償。具體補償流程圖如圖3所示。

在所有設(shè)置的需校準(zhǔn)的溫度點補償后，系統(tǒng)會自動依據(jù)不同補償溫度下的

在每個需要校準(zhǔn)的每個溫度點都進(jìn)行補償后，軟件將自動根據(jù)不同補償溫度下FSODAC和OFFDAC的值計算出-40～125℃范圍內(nèi)，以1.5℃為間隔的全部補償參數(shù)，并寫入MAX1454的EEPROM中。至此MAX1454補償電路就完成了對陶瓷壓阻式壓力傳感器的溫度補償。

5.測試結(jié)果分析

試驗中利用MAX1454溫度補償系統(tǒng)對上海盛拓傳感器公司的ms18c-010-1陶瓷壓阻式壓力傳感器在-20～80℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行6點2壓力補償（分別在-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃和零點0Bar和滿量程10Bar），校準(zhǔn)補償后寫入并保存參數(shù)。然后測量傳感器在不同溫度點下施加不同壓力時的輸出電壓。期間，壓力變送器一直正常工作。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

實際應(yīng)用測試結(jié)果表明，MAX1454的溫度補償設(shè)計可同時糾正陶瓷壓阻式壓力傳感器的溫度漂移，經(jīng)過MAX1454補償后成為零點為0.5V，量程為4V的壓力變送器，而且傳感器的輸出受溫度影響而產(chǎn)生的誤差降到了滿量程輸出的0.3%以內(nèi)，如果補償?shù)臏囟赛c更加密集，壓力變送器的補償精度會進(jìn)一步提高。

[1]美國MAXIN公司.MAX1454參考資料.

[2]趙巖,李永紅,王恩懷.基于MAX1452的MEMS壓力傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(10):94-96.

[3]彭春文,朱紅杰,付世平等.OEM硅壓力傳感器溫度補償技術(shù)研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2000(7):9-11.

[4]Gustafsson M G,StepinskiT.Studyse of split spectrum prccessing optional detection and maximum likelihood amplitude estimation using a simple cluttemode Ultrasonics,1997,35(1):31-52.

[5]陳洪才,陳建,張偉玉.基于MAX1464的智能壓力變送器設(shè)計[J].天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報,2006,13(4):28-30.

Design of Pressure Transducer Based on MAX1454

ZHANG Yan，F(xiàn)ENG Jian-qiao，LOU Xiao-long
（ZhengJiang Dunan Artificial Environment co.，LTD，Hangzhou 310000，China）

The core of the intelligent pressure transducer is MAX1454，which is made by Maxim Integrated Produtes.The temperature sensor ADC and DAC are integrated in it，so the size of the transducer and the consumption of power can be reduced.The pressure and temperature analog signals can be converted into digital signals.The temperature can be compensated by software and the transducer outputs 0.5～4.5V voltage.The experimental results show that the relation between the pressure and the output of the pressure transducer is linear in the range of -40～80℃，the measurement error is smaller than 0.3%.

signal conditioning chip；pressure transducer；temperature compensation