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“节能之星”EFM32 应用方案(十四)
——基于EFM32+MPTC120NWL 的数字气压计及高度计

我爱方案网| EFM32,MPTC120NWL | 2012-07-03
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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ARM Cortex-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。

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EFM32 MCU。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‐Fi SIP AR4100。

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),5.0ms 12 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:<±0.2kPa@25℃
 温度精度:±1.0℃
 具有自动休眠功能
 内置时钟,无需外部时钟
 适于传感媒介的高阻抗性能

气压计算法

MCU 通过I2C 接口按照如下时序,可以读取到MPTC120NWL 的14 位气压寄存器原始值和温度寄存器原始值。

读取数据之后,补偿输出可以按照下列方程式计算.

压力输出

例如,30 到120kPa 范围内的14 位补偿压力值可以这样计算:压力(kPa)=(压力高字节[5:0]×256 + 压力低字节[7:0])/2^14×90 + 30

温度输出


14 位补偿温度值可以这样计算:
温度[℃]=( 温度高字节[7:0] × 64 + 温度低字节[7:2] /4)/2^14×165 – 40
*此方程式的温度范围是‐40–125 ℃
根据以下气压与高度的关系曲线,可以通过方程计算得到当前测试点的海拔高度,因此系统即具备了测高仪的功能。

                   
方案优势

相对于传统的机械式气压计而言,基于EFM32+MPTC120NWL 实现的本方案具有以下优势:
1、MPTC120NWL 是一款I2C 高精度数字式气压传感器,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;
2、MPTC120NWL 内部带温度测量,可以进行环境温度测量;
3、EFM32 具有运算性能好,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;
4、EFM32 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;
5、EFM32 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。

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