基于EFM32+MPTC120NWL 的數(shù)字氣壓計及高度計

概述

氣壓是來自于環(huán)境氣體壓強的物理參數(shù)。它能夠直接反應所處環(huán)境的氣體壓強狀況，也可用于預測天氣的變化。氣壓高時，天氣晴朗；氣壓降低時，將有風雨天氣出現(xiàn)。此外，在戶外運動時也可以利用氣壓參數(shù)測量山體的海拔高度，飛機在空中的飛行高度等。因此結合氣壓測量及學科擴展，它可以應用于測量儀器、戶外運動手表、飛行航模、環(huán)境監(jiān)測等多種領域。

氣壓計安裝測量方法可以簡單分為水銀氣壓計和無液氣壓計。傳統(tǒng)的水銀氣壓計雖然具有無需外部供電，制作成本簡單等特點，但是存在測量精度不夠、存在讀數(shù)誤差、極限工作溫度范圍較窄等不足。因此，高精度、低功耗、使用簡易的電子式無液氣壓計方案應運而生。本方案采用超低功耗的EFM32 作為主控MCU，氣體壓力檢測部分采用美新最新推出的高精度數(shù)字式氣壓傳感器MPTC120NWL 設計。

系統(tǒng)結構

EFM32 是由挪威Energymicro 公司采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核設計而來的高性能低功耗32 位微控制器。它具有突出的低功耗特性，適用于“三表”（電表、水/熱表、氣表）、工業(yè)控制、警報安全系統(tǒng)、健康與運動應用系統(tǒng)、手持式醫(yī)療設備以及智能家居控制等領域。

EFM32 按照外設資源區(qū)別可以劃分為TG、G、LG、GG 系列，還有即將推出的Cortex‐M0 內(nèi)核的ZG 系列和低功耗無線射頻系列EFR。

EFM32 的低功耗設計打破了傳統(tǒng)低功耗設計僅僅追其休眠低功耗的理念，EnergyMicro 開啟了更低運行功能、更短Active 運行時間、更低待機功耗、更快喚醒時間的設計思路。

根據(jù)低功耗應用場合的需求設計獨具特色的外設反射系統(tǒng)PRS，它結合DMA應用可以達到微控制器的外設在內(nèi)核休眠的狀態(tài)下，相互之間信號靈活自主地工作，增加內(nèi)核低功耗休眠狀態(tài)在系統(tǒng)工作時間中的占比。

.EFM32 還具有豐富的低功耗外設LEUART、LETimer、LESENSE、RTC、LCD、ACMP等，它們均是經(jīng)過低功耗優(yōu)化設計，外設本身的功耗非常低。例如LEUART在EM2 模式下運行僅需150nA@9600bps；RTC 運行在EM2 模式下系統(tǒng)整機僅需900nA。

.EFM32 具備ARM 公司的高運算性能和處理能力的Cortex‐M3 核，在數(shù)據(jù)處理、指令執(zhí)行方面較于16 位的單片機，甚至傳統(tǒng)的ARM7 內(nèi)核均具有比較大的優(yōu)勢。它使得系統(tǒng)能夠更有效率地執(zhí)行完指定任務，進入休眠低功耗模式。

.EFM32 為滿足低功耗應用環(huán)境的需求，設計了多種低功耗運行模式，并具有多樣式的喚醒方式。較于傳統(tǒng)的低功耗單片機僅能通過外部I/O 信號和周期事件喚醒外，設計了通信喚醒和外設相互觸發(fā)的內(nèi)部運行機制。

圖 1 氣壓計系統(tǒng)框圖

氣壓計整體的結構體框圖如上圖。系統(tǒng)采用EFM32 作為主控，根據(jù)氣壓計的數(shù)據(jù)交互方式不同可選用不同型號的EFM32 MCU。若只需要串行口UART 進行歷史數(shù)據(jù)導出，那么選型EFM32TG 系列即可滿足；若需要考慮USB 接口與PC 連接導出數(shù)據(jù)，則可以選型EFM32LG系列；若考慮無線藍牙或Wi‐Fi 方式導出歷史數(shù)據(jù)，可以考慮EnergyMicro 的低功耗無線射頻產(chǎn)品EFR 或Atheros 的超低功耗Wi‐Fi SIP AR4100。

系統(tǒng)的采集前端采用美新公司的數(shù)字式高精度氣壓傳感器MPTC120NWL；檢測歷史數(shù)據(jù)的保存采用Spansion 公司的NorFlash 器件或考慮SD 卡保存。人機交流方式可以選用低成本、低功耗LCD 段碼液晶屏顯示，也可以選用16 位色的TFT 液晶屏，EFM32GG 系列帶TFTDriver 驅動器，可以直接高效地驅動TFT 液晶屏。

氣壓傳感器

MPTC120NWL 是一種高品質、低成本的電容式絕對壓力傳感器，集成了溫度補償和A/D轉換器，數(shù)字信號輸出。功耗極低的休眠模式，寬電壓供電（2.5V‐5.5VDC）。利用單晶硅結構作為傳感器單元，壓力端口位于傳感器背部，使得MPTC120NWL 能夠在極端溫度和其他惡劣環(huán)境下正常使用。MPTC120NWL 由超小型電容式MEMS 壓力傳感單元和高精度數(shù)字處理和標定電路（MCU）組成. 壓力測量范圍在5‐120kPa。I2C 接口輸出。集成的Σ‐ΔA/D 轉換器和具有內(nèi)部校準功能的邏輯電路共同保證了傳感信號獲得充分的補償溫度和精確的數(shù)字壓力信號輸出。因此無需再坐任何外部校準補償，內(nèi)部的高性能MCU 已充分補償及標定，確保高精度的溫度和壓力輸出. 兩種可選模式（正常與睡眠）和外部的“即測即用”確保操作靈活，應用范圍十分廣闊。

產(chǎn)品特點

.完全校準的溫度及壓力輸出

.溫度和壓力采樣頻率及分辨率可調（8,10,12 或14 位）

.采樣時間短：0.7ms(8 位)，1.6ms(10 位)，5.0ms 12 位），8.5ms（14 位）

.供電電壓：3.0V±10％或5.0V±10％

.絕對溫度范圍：‐40℃至+125℃

.壓力精度：±0.2kPa@25℃

.溫度精度：±1.0℃

.具有自動休眠功能

.內(nèi)置時鐘，無需外部時鐘

.適于傳感媒介的高阻抗性能

氣壓計算法

MCU 通過I2C 接口按照如下時序，可以讀取到MPTC120NWL 的14 位氣壓寄存器原始值和溫度寄存器原始值。

讀取數(shù)據(jù)之后，補償輸出可以按照下列方程式計算.

壓力輸出

例如，30 到120kPa 范圍內(nèi)的14 位補償壓力值可以這樣計算：壓力（kPa）=（壓力高字節(jié)[5:0]×256 + 壓力低字節(jié)[7:0]）/2^14×90 + 30

溫度輸出

14 位補償溫度值可以這樣計算：

溫度[℃]=( 溫度高字節(jié)[7:0] × 64 + 溫度低字節(jié)[7:2] /4)/2^14×165 – 40

*此方程式的溫度范圍是‐40–125 ℃

根據(jù)以下氣壓與高度的關系曲線，可以通過方程計算得到當前測試點的海拔高度，因此系統(tǒng)即具備了測高儀的功能。


方案優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)的機械式氣壓計而言，基于EFM32+MPTC120NWL 實現(xiàn)的本方案具有以下優(yōu)勢：

1、MPTC120NWL 是一款I2C 高精度數(shù)字式氣壓傳感器，免去傳統(tǒng)模式傳感器的氣壓標定校準步驟，且不要求主控MCU 具備高分辨率及精度的AD轉換器；

2、MPTC120NWL 內(nèi)部帶溫度測量，可以進行環(huán)境溫度測量；

3、EFM32 具有運算性能好，運行功耗低的特點，能夠在低主頻高性能地完成乘除法、指數(shù)運算等氣壓轉換計算算法；

4、EFM32 帶低功耗LCD 驅動器、RTC 等低功耗外設，使得系統(tǒng)的集成度更高，成本更低；

5、EFM32 具有多種低功耗模式，在EM2 待機模式下，MCU功耗僅為900nA，使得整機待機功耗更低。