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基于EFM32+MPTC120NWL的數(shù)字氣壓計(jì)及高度計(jì)

摘要： 高精度,、低功耗、使用簡易的電子式無液氣壓計(jì)方案應(yīng)運(yùn)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(shè)計(jì),。

關(guān)鍵詞： 微處理器|微控制器 EFM32 Cortex-M3 數(shù)字氣壓計(jì)

Abstract：

Key words :

概述

氣壓是來自于環(huán)境氣體壓強(qiáng)的物理參數(shù),。它能夠直接反應(yīng)所處環(huán)境的氣體壓強(qiáng)狀況，也可用于預(yù)測天氣的變化,。氣壓高時(shí),，天氣晴朗；氣壓降低時(shí),，將有風(fēng)雨天氣出現(xiàn),。此外，在戶外運(yùn)動(dòng)時(shí)也可以利用氣壓參數(shù)測量山體的海拔高度,，飛機(jī)在空中的飛行高度等,。因此結(jié)合氣壓測量及學(xué)科擴(kuò)展，它可以應(yīng)用于測量儀器,、戶外運(yùn)動(dòng)手表、飛行航模,、環(huán)境監(jiān)測等多種領(lǐng)域,。

氣壓計(jì)安裝測量方法可以簡單分為水銀氣壓計(jì)和無液氣壓計(jì)。傳統(tǒng)的水銀氣壓計(jì)雖然具有無需外部供電,，制作成本簡單等特點(diǎn),，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(jì)方案應(yīng)運(yùn)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(shè)計(jì),。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EFM32 是由挪威Energymicro 公司采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核設(shè)計(jì)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(bào)安全系統(tǒng)、健康與運(yùn)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng),、手持式醫(yī)療設(shè)備以及智能家居控制等領(lǐng)域,。

EFM32 按照外設(shè)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(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)僅僅追其休眠低功耗的理念,，EnergyMicro 開啟了更低運(yùn)行功能、更短Active 運(yùn)行時(shí)間,、更低待機(jī)功耗,、更快喚醒時(shí)間的設(shè)計(jì)思路。

根據(jù)低功耗應(yīng)用場合的需求設(shè)計(jì)獨(dú)具特色的外設(shè)反射系統(tǒng)PRS,，它結(jié)合DMA應(yīng)用可以達(dá)到微控制器的外設(shè)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(shí)間中的占比,。

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

.EFM32 具備ARM 公司的高運(yùn)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(jī),，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(wù),，進(jìn)入休眠低功耗模式,。

.EFM32 為滿足低功耗應(yīng)用環(huán)境的需求，設(shè)計(jì)了多種低功耗運(yùn)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(jī)僅能通過外部I/O 信號和周期事件喚醒外，設(shè)計(jì)了通信喚醒和外設(shè)相互觸發(fā)的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制,。

圖 1 氣壓計(jì)系統(tǒng)框圖

氣壓計(jì)整體的結(jié)構(gòu)體框圖如上圖。系統(tǒng)采用EFM32 作為主控,，根據(jù)氣壓計(jì)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(jìn)行歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)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(dǎo)出數(shù)據(jù),，則可以選型EFM32LG系列；若考慮無線藍(lán)牙或Wi‐Fi 方式導(dǎo)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(jī)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(qū)動(dòng)器,，可以直接高效地驅(qū)動(dòng)TFT 液晶屏。

氣壓傳感器

MPTC120NWL 是一種高品質(zhì),、低成本的電容式絕對壓力傳感器,，集成了溫度補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(biāo)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(zhuǎn)換器和具有內(nèi)部校準(zhǔn)功能的邏輯電路共同保證了傳感信號獲得充分的補(bǔ)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(zhǔn)補(bǔ)償，內(nèi)部的高性能MCU 已充分補(bǔ)償及標(biāo)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(yīng)用范圍十分廣闊。

產(chǎn)品特點(diǎn)

.完全校準(zhǔn)的溫度及壓力輸出

.溫度和壓力采樣頻率及分辨率可調(diào)（8,10,12 或14 位）

.采樣時(shí)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(dòng)休眠功能

.內(nèi)置時(shí)鐘,，無需外部時(shí)鐘

.適于傳感媒介的高阻抗性能

氣壓計(jì)算法