基于EFM32+MPTC120NWL 的数字气压计及高度计
仪器信息网 · 2012-09-08 07:33 · 52966 次点击
方案优势:
免去传统模式传感器的气压标定校准步骤,且不要求主控MCU具备高分辨率及精度的AD转换器;
运算性能好,运行功耗低的特点,能够在低主频高性能地完成乘除法、指数运算等气压转换计算算法;
带低功耗LCD驱动器、RTC等低功耗外设,使得系统的集成度更高,成本更低;
具有多种低功耗模式,在EM2待机模式下,MCU功耗仅为900nA,使得整机待机功耗更低。
概述
气压是来自于环境气体压强的物理参数。它能够直接反应所处环境的气体压强状况,也可用于预测天气的变化。气压高时,天气晴朗;气压降低时,将有风雨天气出现。此外,在户外运动时也可以利用气压参数测量山体的海拔高度,飞机在空中的飞行高度等。因此结合气压测量及学科扩展,它可以应用于测量仪器、户外运动手表、飞行航模、环境监测等多种领域。
气压计安装测量方法可以简单分为水银气压计和无液气压计。传统的水银气压计虽然具有无需外部供电,制作成本简单等特点,但是存在测量精度不够、存在读数误差、极限工作温度范围较窄等不足。因此,高精度、低功耗、使用简易的电子式无液气压计方案应运而生。本方案采用超低功耗的EFM32作为主控MCU,气体压力检测部分采用美新最新推出的高精度数字式气压传感器MPTC120NWL设计。
系统结构
EFM32是由挪威Energymicro公司采用ARMCortex-M3内核设计而来的高性能低功耗32位微控制器。它具有突出的低功耗特性,适用于“三表”(电表、水/热表、气表)、工业控制、警报安全系统、健康与运动应用系统、手持式医疗设备以及智能家居控制等领域。
EFM32按照外设资源区别可以划分为TG、G、LG、GG系列,还有即将推出的Cortex‐M0内核的ZG系列和低功耗无线射频系列EFR。
EFM32的低功耗设计打破了传统低功耗设计仅仅追其休眠低功耗的理念,EnergyMicro开启了更低运行功能、更短Active运行时间、更低待机功耗、更快唤醒时间的设计思路。
根据低功耗应用场合的需求设计独具特色的外设反射系统PRS,它结合DMA应用可以达到微控制器的外设在内核休眠的状态下,相互之间信号灵活自主地工作,增加内核低功耗休眠状态在系统工作时间中的占比。
EFM32还具有丰富的低功耗外设LEUART、LETimer、LESENSE、RTC、LCD、ACMP等,它们均是经过低功耗优化设计,外设本身的功耗非常低。例如LEUART在EM2模式下运行仅需150nA@9600bps;RTC运行在EM2模式下系统整机仅需900nA。
EFM32具备ARM公司的高运算性能和处理能力的Cortex‐M3核,在数据处理、指令执行方面较于16位的单片机,甚至传统的ARM7内核均具有比较大的优势。它使得系统能够更有效率地执行完指定任务,进入休眠低功耗模式。
EFM32为满足低功耗应用环境的需求,设计了多种低功耗运行模式,并具有多样式的唤醒方式。较于传统的低功耗单片机仅能通过外部I/O信号和周期事件唤醒外,设计了通信唤醒和外设相互触发的内部运行机制。
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图1气压计系统框图
气压计整体的结构体框图如上图。系统采用EFM32作为主控,根据气压计的数据交互方式不同可选用不同型号的EFM32MCU。若只需要串行口UART进行历史数据导出,那么选型EFM32TG系列即可满足;若需要考虑USB接口与PC连接导出数据,则可以选型EFM32LG系列;若考虑无线蓝牙或Wi‐Fi方式导出历史数据,可以考虑EnergyMicro的低功耗无线射频产品EFR或Atheros的超低功耗Wi‐FiSIPAR4100。
系统的采集前端采用美新公司的数字式高精度气压传感器MPTC120NWL;检测历史数据的保存采用Spansion公司的NorFlash器件或考虑SD卡保存。人机交流方式可以选用低成本、低功耗LCD段码液晶屏显示,也可以选用16位色的TFT液晶屏,EFM32GG系列带TFTDriver驱动器,可以直接高效地驱动TFT液晶屏。
气压传感器
MPTC120NWL是一种高品质、低成本的电容式绝对压力传感器,集成了温度补偿和A/D转换器,数字信号输出。功耗极低的休眠模式,宽电压供电(2.5V‐5.5VDC)。利用单晶硅结构作为传感器单元,压力端口位于传感器背部,使得MPTC120NWL能够在极端温度和其他恶劣环境下正常使用。MPTC120NWL由超小型电容式MEMS压力传感单元和高精度数字处理和标定电路(MCU)组成.压力测量范围在5‐120kPa。I2C接口输出。集成的Σ‐ΔA/D转换器和具有内部校准功能的逻辑电路共同保证了传感信号获得充分的补偿温度和精确的数字压力信号输出。因此无需再坐任何外部校准补偿,内部的高性能MCU已充分补偿及标定,确保高精度的温度和压力输出.两种可选模式(正常与睡眠)和外部的“即测即用”确保操作灵活,应用范围十分广阔。
产品特点
●完全校准的温度及压力输出
●温度和压力采样频率及分辨率可调(8,10,12或14位)
●采样时间短:0.7ms(8位),1.6ms(10位),5.0ms12位),8.5ms(14位)
●供电电压:3.0V±10%或5.0V±10%
●绝对温度范围:‐40℃至+125℃
●压力精度: