采用数字气压传感器实现气压测量系统的设计和应用研究

1、引言

气压测量在仪器仪表、医疗卫生、气压计、高度计等工业设备中有着广泛的应用。而选择速率快、精度高的传感器是实际工程应用的关键。结合课题组的研究任务，文中主要介绍一款高精度、高分辨率和低功耗的数字气压传感器SCP1000-D01。该器件可用于微型或者小型无人机制造气压计，易于操作，便于携带。

2、性能特点和引脚功能

SCP1000-D01是芬兰VTI公司的革命性产品。这款基于D-MEMS技术的绝对压力传感器能在正常条件下达到亚米级别的分辨率和1 m的精度，适合许多商用场合。

SCP1000-D01提供了高精度、高速、低功耗和超低功耗四种测量模式。用户可以根据需要自行选择测量方式。本系统设计应用于无人机上，对速度有相当高的要求，所以综合考虑选择了高速模式。通讯接口采用SPI接口。

对于气压传感器应用，最重要的是精度高，这样才能够满足实际需求。SCP1000-D01的绝对压力精度在-100 Pa～+100 Pa，约-8.5 m～+8.5 m，其温度精度为1℃～2℃。目前为止，这一精度在微型气压传感器中是最高的。

SCP1000-D01内置A/D转换电路，既便于用户开发设计，又减轻了设计系统的重量和电路的繁琐，符合当前传感器的使用要求。

高精度模式下测量时。分辨率为1.5 Pa～6 Pa，约0.1 m～0.4 m；在超低功耗模式下分辨率为2 Pa～15 Pa，约0.2 m～1.3 m。而其温度的分辨率为0.2℃～0.5℃。

SCP1000-D01采用了贴片式设计和ASIC封装，功耗相当小，其工作电压为2.4 V～3.3 V。电流最大仅为50 μA，近乎于可以忽略不计。

SCP1000-D01为圆形结构，直径仅为6 mm。高度仅为1.7 mm。

SCP1000-D01共有16个引脚．其中I/O型引脚

7个，电源型引脚9个。其引脚结构和形状如图1所示，中间顶端的是传感器芯片头。I/O型（SPI接口）引脚功能如表1所示。TRIG外部触发低功耗模式，具体操作是给该引脚一个下降沿信号，若不用，该引脚则接至DVSS。DRDY为输出中断信号，用以提示用户温度和压力值已经测量，可以读取。PD引脚为高电平可以使SCP1000-D01长时间保持低功耗模式。SCK、MOSI、MISO和CSB引脚组成了数据通讯线。

3、内部结构和工作原理

SCP1000-D01压力传感器包括一个压力传感头和特定用途集成电路。SCP1000-D01压力传感器内部包含A/D转换器以及存储气压和温度值的寄存器，其内部结构如图2所示。

启动SCP1000-DO1之后首先要进行线性化和状态检测，然后选择测量模式。

3.1 模式选择

如上所述，SCP1000-D01有四种测量模式，其中高精度、高速、超低功耗模式是以连续方式进行测量工作，而低功耗模式则是以触发方式工作的。也就是说启动低功耗模式测量时需要给TRIG一个上升沿信号或向寄存器OPERATION写入0X0C：而高精度、高速、超低功耗模式的启动则是向OPER-ATION寄存器分别写入0X0A、0X09、0X0B实现的。连续测量模式的时序如图3所示，触发测量模式下的时序如图4所示。

启动SCP1000-DO1之后首先要进行线性化和状态检测，然后选择测量模式。

3.1 模式选择

如上所述，SCP1000-D01有四种测量模式，其中高精度、高速、超低功耗模式是以连续方式进行测量工作，而低功耗模式则是以触发方式工作的。也就是说启动低功耗模式测量时需要给TRIG一个上升沿信号或向寄存器OPERATION写入0X0C：而高精度、高速、超低功耗模式的启动则是向OPER-ATION寄存器分别写入0X0A、0X09、0X0B实现的。连续测量模式的时序如图3所示，触发测量模式下的时序如图4所示。

3.2 数据读取

选择好测量模式后需将测量得到的数据读出来，以供使用。引脚DRDY有信号表示可以读取测量数据。

温度数据存储在TEMPOUT寄存器中的［13：0］，其中第13位是符号位。将其二进制转换成相应的十进制，可利用以下公式得到温度值：

压力数据存储在DATARD8寄存器的［2：0］和DATARD16寄存器的［15：0］中。两个数据前后连接组成19位二进制数值。将其转换为十进制数，利用以下公式即可得到压力值。

3.3 寄存器地址描述

SCP1000-D01内部集成了多个寄存器，可以存储相应的测量数据，比较重要寄存器的地址如表2所列。

4、 典型应用

基于SCP1000-D01和AT89S51单片机设计的气压计系统电路原理图如图5所示。

在工程应用中，通过MAX232E实现单片机TTL电平与上位机RS232电平之间的转换，把气压信息传给上位机，具体电路如图6所示。

5、 结束语

介绍了芬兰VTI公司的气压传感器SCP1000-D01的优点以及应用。SCP1000-D01以高精度、高分辨率、高集成度、低功耗、小体积、小重量的性能，具有极高的科研价值和应用价值。

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