1、引言 近年來，隨著計算機和單片機的日益普及，數(shù)字傳感器系統(tǒng)已得到廣泛應(yīng)用。數(shù)字式傳感器是該系統(tǒng)的重要組成部分。選擇高性能、具有數(shù)字接口的信號調(diào)理器是數(shù)字傳感器設(shè)計的關(guān)鍵。ZMD31050是一款高精度橋式傳感器信號處理CMOS集成電路，以它為核心的數(shù)字傳感器可以在多個方面實現(xiàn)對測量信號的補償與校正，并可將測量信號以數(shù)字信號方式輸出，且外圍電路簡單。ZMD31050幾乎適用于所有橋式傳感器。 2、ZMD31050介紹 2.1基本性能指標(biāo) 電源電壓：+2．7 V～+5．5 V； 輸入信號：1 mV／V～275 mV／V； 多種輸出方式可供選擇：電壓（0 V～5 V），電流（4 mA～20 mA），PWM，I[sup]2[/sup]C，SPI，ZACwire[sup]TM[/sup]（一線接口），報警輸出； 橋式傳感器的激勵源可選：比例電壓、恒壓模式或恒流模式； 高精度：～25℃+85℃時的誤差為0．1％，-40℃～+125℃時的誤差為0．25％； 可對傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進行數(shù)字補償； 輸出分辨率最高為15位，可選擇相對應(yīng)的采樣頻率（最多3．9 kHz）； PC通過數(shù)字接口實現(xiàn)器件的配置和校準(zhǔn)。 2.2工作原理 圖1為ZMD31050的工作原理圖，各模塊功能如下： PGA：可編程增益放大器： MUX：多路器： ADC：A/D轉(zhuǎn)換器： CMC：校準(zhǔn)控制器： DAC：D／A轉(zhuǎn)換器： FIOI：可選101：模擬輸出（電壓/電流），PWM2 （脈寬調(diào)制）ZACwire[sup]TM[/sup]（一線接口）； F102：可選102：PWMl．SPI．SPI從機選擇． Alarml、Alarm2串行接（I[sup]2[/sup]C．時鐘）： PCOMP：可編程比較器； EEPROM：用于校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置和校準(zhǔn)配置： TS：片上溫度傳感器： ROM：存放校準(zhǔn)模式： PWM：脈寬調(diào)制模式。 ZMD31050具有內(nèi)部EEPROM，共包含32個16位地址空間。ZMD31050工作所必需的32個參數(shù)存儲在EEPROM中。其中。22個校準(zhǔn)常量用于傳感器信號的計算校準(zhǔn)，7個參數(shù)用于配置應(yīng)用程序，1個CRC字（word）用于檢查EEPROM內(nèi)容的正確性，另外還有2個16位的字供用戶自由使用。 每次上電后：EEPROM中的內(nèi)容被復(fù)制到RAM中。根據(jù)RAM中的配置，器件自動完成信號調(diào)理過程。首先，橋式傳感器傳遞出的信號在PGA中進行預(yù)放大，MUX將該信號與外部二極管或分立溫度傳感器信號按照某種序列傳送給ADC單元，ADC單元對這些信號進行A／D轉(zhuǎn)換。然后，CMC根據(jù)ROM中存放的校正公式和EEPROM中存放的校準(zhǔn)參數(shù)對數(shù)字信號進行校正。根據(jù)配置，傳感器信號以模擬量、數(shù)字量或PWM的形式輸出，輸出信號由串行接口及FIO1、FIO2提供。 表1為：EEPROM和RAM中的參數(shù)分配與指令。數(shù)據(jù)配置和參數(shù)校準(zhǔn)可以通過數(shù)字接口實現(xiàn)。 2.3引腳功能 圖2為ZMD31050的引腳排列。其引腳功能描述如表2所列。 3、數(shù)字式氣壓傳感器系統(tǒng)應(yīng)用 3.1硬件設(shè)計 ZMD31050接收來自前端橋式傳感器的微弱模擬信號，將這一信號放大，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換、補償與校正后以數(shù)字信號形式傳給后端微處理器。微處理器獲取信號并進行處理。串口電平轉(zhuǎn)換器MAX232完成電平轉(zhuǎn)換。從而實現(xiàn)系統(tǒng)與PC機的通信。 圖3所示為基于ZMD31050的數(shù)字式氣壓傳感器應(yīng)用系統(tǒng)框圖。J1為橋式壓力傳感器與ZMD31050的接口，J2是系統(tǒng)供電電源接口，J3為系統(tǒng)與PC機接口。橋式壓力傳感器與ZMD31050簡單連接即構(gòu)成了數(shù)字式氣壓傳感器，主要應(yīng)用于觀測氣體壓力的變化。其中，橋式壓力傳感器選用美國Silicon Microstructures公司的SMI5502-015一A。該器件量程為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，滿足目標(biāo)測量要求。采用恒壓源供電，輸出微弱的電壓信號，便于整個系統(tǒng)設(shè)計。本數(shù)字式氣壓傳感器對溫度無特殊要求，溫度測量選擇內(nèi)置溫度二極管。經(jīng)ZMD31050調(diào)理過的信號通過數(shù)字串口以15位數(shù)字信號的形式輸出。 外接的微控制器與其外圍的晶體振蕩器、看門狗、MAX232構(gòu)成微控制系統(tǒng)。其中，外接微控制器為51系列單片機中的AT89C4051，可滿足全部數(shù)據(jù)處理和通信的要求。晶振Y1選擇11．0592 MHz，為AT89C4051提供時鐘信號。X5045為AT89C4051工作產(chǎn)生復(fù)位信號。MAX232完成電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)AT89C4051與上位機通信。 數(shù)字式氣壓傳感器與微控制系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)字式氣壓傳感器應(yīng)用系統(tǒng)，整個系統(tǒng)采用+5 V電源供電。數(shù)字式氣壓傳感器支持I2C通信模式，由SDA、SCL線經(jīng)上拉后與后端微控制器系統(tǒng)連接。通信過程中，ZMD31050為從機模式，其默認通訊地址為0x78。 3.2軟件設(shè)計 數(shù)字式氣壓傳感器應(yīng)用系統(tǒng)選用AT89C4051為外部微控制器。由于AT89C4051內(nèi)部沒有I2C模塊，因此，需要通過I／O口模擬I2C與數(shù)字式氣壓傳感器中的ZMD31050進行通信。 傳感器系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括三個部分：內(nèi)部EEPROM的配置、測量值的讀取和處理、與上位機通信。而這三部分功能都由外接控制器編寫程序來實現(xiàn)。 在AT89C4051中編程，向ZMD31050發(fā)送相關(guān)指令（詳見表1），可以配置和修改EEPROM或RAM中的各項參數(shù)。配置和修改完成后，須發(fā)送特定指令激活所做的配置和修改，并開始測量循環(huán)。ZMD31050就可以根據(jù)最新配置的參數(shù)對傳感器采集到的模擬氣壓信號進行放大、A／D轉(zhuǎn)換、校正和補償。傳感器的最終測量結(jié)果為按照配置處理好的數(shù)據(jù)，它們將被不間斷地送到ZMD31050的串口寄存器。 在AT89C4051中編寫"讀操作"程序，可獲得串口寄存器的測量值。先得到數(shù)據(jù)的高字節(jié)，再得到低字節(jié)。除非ZMD31050接收到配置EEPROM或RAM內(nèi)容的指令，否則，只要"讀操作"不停止，就可以不間斷讀取測量值。在AT89C4051中可以編寫簡單的軟件濾波程序處理讀取的數(shù)據(jù)。 另外。在AT89C4051中還要編寫程序?qū)⑻幚磉^程的數(shù)據(jù)通過串口送出，并接收來自上位機的指令，即通過串口實現(xiàn)與PC機的通信。 4、結(jié)束語 數(shù)字傳感器是傳感器發(fā)展的趨勢，ZMD31050作為一款高效的信號調(diào)理可將傳感器信號以數(shù)字形式輸出，更重要的是，傳感器信號的偏移、靈敏度、溫漂和非線性可以有效進行補償和校正，目前基于ZMD31050的數(shù)字式氣壓傳感器系統(tǒng)已經(jīng)在地震前兆輔助觀測領(lǐng)域中投入使用，其設(shè)計經(jīng)驗值得在其他橋式傳感器設(shè)計中推廣應(yīng)用。