基于MSP430單片機的高精度壓力變送器

【摘 要】近年來，我國的經(jīng)濟、科技得以迅速發(fā)展，且為推動我國國民經(jīng)濟增長做出了較大貢獻。作為科技和經(jīng)濟發(fā)展的主要成果，傳感器技術(shù)已作為一種新型的檢測和測量技術(shù)被廣泛應用到我國社會生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。但在傳感器技術(shù)應用的過程中，經(jīng)常會受到外界非目標參量的影響，形成傳感器交叉靈敏度的問題。本文引入以MSP430單片機為基礎(chǔ)的高精度壓力變送器，通過對其芯片和軟硬件的設(shè)計方法進行研究，以期為解決傳感器的交叉靈敏度問題提供有價值的參考意見。

【關(guān)鍵詞】MSP430單片機；高精度壓力變送器；神經(jīng)網(wǎng)絡

MSP430是一種具有超低功耗和豐富外設(shè)的單片機，在BP網(wǎng)絡訓練的輸出樣本進行離線訓練時，MSP430單片機則可以通過采集傳感器的壓力輸出值及其所處環(huán)境溫度值對樣本的離線訓練進行最大限度的權(quán)值和閥值修改，進而達到對變送器進行控制輸出的目的。本文以基于MSP430單片機的高精度壓力變送器作為研究對象，在結(jié)合系統(tǒng)芯片設(shè)計的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計以及系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法展開了詳細分析。

一、系統(tǒng)芯片設(shè)計

所謂系統(tǒng)芯片的設(shè)計便是系統(tǒng)芯片的選型過程。通過對MSP430單片機的特點進行分析可知，MSP430單片機是具有較高精度的單芯片系統(tǒng)，因其利用的是16位的高速處理單片機，因此系統(tǒng)的工作性比較穩(wěn)定。在芯片的構(gòu)造方面，MSP430單片機富有豐富的外圍模塊，例如A/D模塊與D/A模塊。又由于在經(jīng)過BP網(wǎng)絡訓練之后，所形成的數(shù)據(jù)大都涉及到許多浮點型計算[1]。所以，變送器系統(tǒng)中通常采用MSP430F247TPM型單片機。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

（一）壓力傳感器的選擇及其電路檢測

考慮到MPS430單片機的自身特點，系統(tǒng)應選擇型號為MPM280的壓力傳感器。MPM280壓力傳感器對系統(tǒng)電路的檢測是以惠斯登電橋（一種高精度測量的電阻儀器）為基礎(chǔ)的，整個電路測試系統(tǒng)采用1.5mA的直流電作為供電電流。測試過程中，將變送器的壓力經(jīng)過轉(zhuǎn)化而形成的電壓信號用Vp表示，將被測試壓力轉(zhuǎn)化而形成溫度信號用VT表示，R1-R4為電橋中的四擴散硅電阻，其電阻值用R表示。向惠斯登電橋兩端施加壓力，則在R1-R4中存在兩個電阻，其阻值增加R，另存在兩個電阻，其阻值小于R，此時Vp=R×I，I為測試電路電流。通過電路總電阻值R5便可檢測出溫度信號VT。

（二）電源模塊與信號放大電路的設(shè)計

在壓力變送器的芯片型號為LM317和TPS76933時，壓力變送器中的MSP430單機片需要以3.3V的電壓進行供電，而系統(tǒng)中的其他外接設(shè)備則需要以5V的電壓進行供電。具體的供電流程為：電壓經(jīng)由LM317芯片轉(zhuǎn)變?yōu)楦哂?0V的電壓對TPS76933型芯片進行供電，在電壓經(jīng)過TPS76933時，又被其轉(zhuǎn)化為3.3V和5V的電壓對單片機及其外設(shè)進行供電[2]。

在信號放大電路中，芯片的類型主要是INA121。INA121對電路放大的步驟為：將壓力傳感器中的測量壓力經(jīng)由轉(zhuǎn)換后而形成的電壓信號分別輸入到INA121的2腳和3腳中，放大器根據(jù)壓力送便器的外接電阻對電路的放大倍數(shù)進行調(diào)節(jié)，進而將放大之后的電壓經(jīng)由INA121的6腳傳輸?shù)組SP430單片機的A/D通道。

（三） A/D轉(zhuǎn)換

利用MSP430單片機具備的ADC12模塊直接進行A/D轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換）。具體的轉(zhuǎn)化方法為：由于MSP430單片機自帶2路轉(zhuǎn)化接口，在ADC12模塊控制寄存器的作用下，系統(tǒng)可以實現(xiàn)壓力與溫度的雙路模擬信號轉(zhuǎn)換。除此之外，ADC12模塊內(nèi)部還置有參考電源，其可以通過模擬多路器進而對壓力和溫度信號實施分時地信號轉(zhuǎn)化，有效提高了壓力變送器的工作性能。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一） BP網(wǎng)絡算法

BP網(wǎng)絡是當前應用最為廣泛地神經(jīng)網(wǎng)模型，其主要分為輸入層、輸出層和隱含層，且各層之間大都采用互連的方式進行連接，而處于同一層中的各個單元不存在連接。BP網(wǎng)絡主要由兩部分構(gòu)成，即信息的正向傳播與誤差的反向傳播。信息的正向傳播是指信息的輸入模式從輸出層出發(fā)，經(jīng)由隱含層逐層傳入到信息的輸出層，而信息經(jīng)輸出后如果未得到系統(tǒng)所期望的結(jié)果，則BP網(wǎng)絡則會將誤差信號進行原路返回，并反復上述過程，直到輸出信號達到系統(tǒng)期望值為止。

（二） BP網(wǎng)絡的訓練及系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

BP網(wǎng)絡的訓練是以Matlab的軟件平臺為基礎(chǔ)的。在Matlab主界面中輸入nntool進入神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱的主界面，并建立起一個4層的BP網(wǎng)絡，分別為輸入層、第一隱含層、第二隱含層和輸出層，且各層之間所含神經(jīng)元的個數(shù)分別為2、5、4、1。將各層信息歸一化后的樣本輸入值及樣本目標值共同導入神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱，并將訓練樣本（溫度樣本）依次選為-40。C、-30。C、-20。C、-10。C、0。C、20。C、30。C、40。C以及60。C和80。C等十個溫度的壓力與溫度采樣值，并將檢測樣本選取為10。C的A/D轉(zhuǎn)化采樣值，進而在Matlab的神經(jīng)網(wǎng)絡工具訓練選項卡中對訓練參數(shù)進行設(shè)置，隨即點擊TRAIN鍵開始訓練[3]。在BP網(wǎng)絡的訓練結(jié)束后，基于MSP430單片機的高精度壓力變送器系統(tǒng)便得到了滿足控制要求的權(quán)值和閥值，將二者的連接關(guān)系通過程序編程移植到MSP430單片機中，并最終完成信號處理的需要。

結(jié) 論

本文通過對基于MSP430單片機的高精度壓力變送器的系統(tǒng)芯片進行設(shè)計，并在結(jié)合系統(tǒng)硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，從BP網(wǎng)絡算法的構(gòu)建以及系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)等方面對基于MSP430單片機的高精度壓力變送器的設(shè)計原理展開了深入研究?？梢?，未來加強對MSP430單片機在高精度壓力變送器中的應用和研究力度，對于促進傳感器技術(shù)的發(fā)展具有重要的作用和意義。

參考文獻：

[1]周垚.基于MSP430F149的礦井水文測量系統(tǒng)設(shè)計[D].太原理工大學，2013.

[2]楊安龍.淺析單片機在高精度壓力變送器中的應用[J].電子制作，2013，10（06）：167-168.

[3]胡澤，李強，葛亮.低功耗無線壓力變送器研究設(shè)計[J].自動化儀表，2013，12（05）：87-90.