數字壓力傳感器BP5607應用實現*

胡正群 ，張麗榮

(1．中國科學院國家天文臺，北京100012;2．中國科學院研究生院，北京100049)

數字大氣壓力傳感器目前普遍運用于社會生活各個領域，大氣壓力傳感器技術是儀器科學領域發展的重要技術方向，未來此類傳感技術的發展主要向兩個方向進行:其一是開發新材料、新工藝開發新型傳感器;其二是研究傳感技術的高精度、集成化、微型化、智能化、仿生化、網絡化和多傳感器融合等。

數字化通信是電子設備發展的趨勢，目前所使用的大部分壓力傳感器都是數字化傳感器，它具有穩定性高、簡易方便、易于集成等特點。在眾多的大氣壓力傳感器中，BP5607是基于 MEMS(Microelectro Mechanical System)技術的高靈敏度、高分辨率的數字壓力傳感器。本文基于ARM Cortex－M3微處理器LP1768+壓力傳感器BP5607的架構設計，闡述該款傳感器的設計實現思想;結合改進的差分氣壓測高算法，設計實現了具有高靈敏度、高分辨率、高精度的高程測量儀，在傳感器應用測量領域有一定的使用參考價值。

1 高分辨率數字壓力傳感器BP5607

BP5607是一款采用MEMS技術將高線性壓力傳感器與一個低功耗的24 bit模數轉換電路(ADC)集成于一體的數字氣壓傳感器(圖1)。壓力測量范圍為10 mbar～1 200 mbar，壓力測量分辨率為0．13 mbar/0．084 mbar/0．054 mbar/0．036 mbar/0.024 mbar通過編程設置采樣率可以有效選擇;溫度測量范圍為－40℃ ～85℃，分辨率優于0．01℃。用戶可根據實際應用的轉換速度和功耗在軟件中選擇不同的工作模式。BP5607包含了一個硅壓阻傳感器和一個模數轉換接口電路，它把從壓阻式傳感器輸出的未經補償的模擬電壓轉換為24 bit的數字信號，提供一個24 bit的數字壓力值和溫度值信號[1]。

圖1 BP5607原理框圖

BP5607可以根據需要選擇AD轉換器采樣頻率(256/512/1024/2048/4096)用以控制氣壓/溫度輸出的有效位精度，從而提高測量精度。該模塊將傳感器采集的信號經過模數轉換器后輸出24 bit的數字信號可直接與微處理器通信，便于集成，相對于以前的模擬信號輸出的產品，減少了信號放大等電路，同時也節省了標定環節的時間和資金。BP5607具有小體積(5．3 mm×3．0 mm×1．7 mm)，低功耗，高精度，高分辨率，響應時間快的特點。

BP5607提供SPI和IIC 2種接口模式，可以與任意一款微處理器相連，不需要裝置內部編程存儲器，用以控制BP5607的工作模式和工作流程。在SPI模式下模塊可以同時接受時序相反的模式0和模式3傳感器在輸出端SDO(串行數據輸出)給予響應。片選管腳(CSB管腳)用于控制該接口的工作狀態，用以解決微處理器SPI接口復用的問題。當發送命令或者命令執行完后該片選管腳(CSB腳)被拉回至高電平。在進行ADC轉換時，當SPI總線處于閑置時或者沒有其他設備在利用該總線時噪聲性能最好。IIC總線在傳輸數據時，外部處理器時鐘通過SCLK(串行時鐘)和SDA(串行數據)與模塊通信，IIC總線接口在同一個雙向通信的SDA管腳響應，因此這種接口只需要兩條信號線，不再需要片選信號。在IIC模式下片選信號(CSB腳)的增加提供了LSB的IIC的地址，因此在同一個IIC中線上可以攜帶多個傳感器模塊工作。

2 氣壓測高模塊的系統實現

BP5607內部沒有控制器，需要外接微小控制處理器通過讀寫指令來驅動BP5607的工作，本文采用LPC1768處理器+BP5607的架構完成氣壓測高模塊的設計實現，氣壓測高模塊系統組成如圖2所示。

圖2 氣壓測高模塊系統組成

2．1 LPC1768 微處理器

LPC1768是一款高性能、低功耗的32 bit ARM Cortex－M3微處理器，內存映射包含多個內置外設塊，具有一個嵌套矢量中斷控制器(NVIC)[2－3]。運行頻率高達100 MHz，具有512 kbyte的Flash存儲器和64 kbyte的數據存儲器。供電電源2．4 V ～3．6 V，操作頻率可以從1 MHz～24 MHz，能實時處理大量的溫度補償和壓強數值轉換運算。支持低功耗運行和低功耗睡眠模式，滿足系統低功耗要求。LPC1768的芯片資源和接口資源非常豐富，可以保證處理器將處理完的數據傳輸到所需要的設備上。

2．2 氣壓和溫度數據采集

LPC1768微處理器與傳感器BP5607之間采用SPI接口進行交互通信，從而獲得對氣壓數據和溫度數據的采集。傳感器BP5607有5種基本指令:復位－讀取PROM數字(C1～C6系數)－D1轉換－D2轉換－讀取ADC并輸出數據[1]。通過這5種基本指令可以得到BP5607采集氣壓和溫度數據的工作流程，如圖3所示。

圖3 BP5607采集氣壓/溫度的工作流程

在同一地點分別用兩個模塊測量氣壓值如圖4和圖5所示，圖4是通過LPC1768對傳感器BP5607設置氣壓分辨率為0．024 mbar的測量結果，圖5是傳感器測量氣壓分辨率為0．13 mbar的測量結果，氣壓數據采集率為1 Hz。

圖4 BP5607測得48 h氣壓的變化曲線(D1/D2采樣率:4096)

圖5 BP5607測得48 h氣壓的變化曲線(D1/D2采樣率:256)

不同的傳感器模塊即使在同一個位置上，由于焊接工藝上存在一定的區別，利用不同的傳感器模塊測量氣壓，所得到的氣壓測量值彼此之間也會存在一定的差異，但是這個差值一般是固定的，可以通過測量得以修正。

此外，由于AD轉換器采樣率的不同，采集得到的氣壓值在有效位上存在一定的區別，采樣率越高氣壓變化曲線顯得越平滑，也就越能真實的反映實際的大氣壓強的物理狀況，采樣率越低氣壓變化曲線存在較大的量化誤差。

3 改進型差分氣壓測高

式(1)中tm是基準點P0和測量點P之間的平均攝氏溫度，即tm=(t0+tR)/2，t0為基準點溫度，tR為測量點溫度值。

差分氣壓測高具有較好的高程測量精度，在很多場合中具有很好的使用價值[8]，為了減小用戶端數據的計算量，通過線性化計算的方式獲得高程，可以對差分氣壓測高的數學模型做一定的改進。由式(1)分析可得，假定不同的氣壓測高模塊在同一地點測量的氣壓值完全一致的情況下，測量點相對于基準點0．1 mbar的氣壓變化量，相當于高度變化約0．82 m;測量點相對于基準點1℃的溫度變化量，相當于高度變化約為0．023 m[9]。在差分氣壓測高模型中，高程的測量精度主要取決于基準點與測量點之間的氣壓差，氣壓傳感器的測量一致性決定了氣壓對高程測量的精度。溫度在差分氣壓測高模型中的影響權重比較小，氣壓在差分氣壓測高模型中的影響權重比較大，在一定的區域范圍以內，可以建立測量點相對于基準點的高度與氣壓差和溫度差之間的線性數學關系式，如式(2)所示。

在不同的區域范圍內通過實驗獲得α和β值，從而獲得簡化差分氣壓測高系統方法的使用。在差分氣壓測高系統中，高程測量精度與基準點與測點之間的基線長度負相關，即基線長度越長精度越低。為了提高差分氣壓測高的精度，差分的范圍不宜過大，一般在3 km左右的區域里，因此可以認為基準點與測點的溫度相等，即tR=t0，那么式(2)可以簡化為

式(3)表明測點的高程測量變成了基準點與測點的氣壓差測量問題，在基準點高程一定的條件下，測點的高程分辨率直接取決于基準點與測點的氣壓差分辨率，即取決于氣壓的測量分辨率。由圖4和圖5

由圖4可以看到，同一地點(海拔不變)的氣壓值處于無規則的變化狀態之中[4－5]，在“國際標準大氣”模型下，直接通過氣壓去推算高程，解算的高程同樣和氣壓值的變化趨勢一樣[6]，這時高程的測量精度不高，嚴重的情況下一天內的定點測量高度漂移達到數十米的量級，穩定性和可靠性較差，實用性不強。

根據氣壓隨高度變化的規律，若已知基準點高度h0的氣壓P0和溫度t0，以及在測點測出的氣壓P和溫度 tR，測點的高度 h 為[7]:可知，D1/D2采樣率決定了測壓的分辨率，進而決定了高程測量的分辨率。因此，D1/D2采樣率越高，高程測量分辨率越高。將兩個BP5607測高模塊放在高差為h－h0=0．8 m的兩個位置，D1/D2采樣率為4 096，氣壓測量分辨率為0．024 mbar，氣壓數據采集率為1 Hz，將較低位置的模塊作為基準點，較高位置的模塊作為測點，由測量的溫度值和氣壓值求得 α=1．020 8，β=0．1361。由于兩個模塊之間在同一個位置本身存在測量差異，因此，以上兩個系數已經包含了測量差異的系統誤差。將測點模塊向上移動0．6 m，然后返回測點位置，測點模塊相對于基準點的高程軌跡經過式(1)和式(2)解算如圖6所示。

圖6 測點模塊相對于基準點高程解算曲線

利用式(1)和式(2)解算的測點相對于基準點高程曲線基本一致，并且兩者都比較符合實際的情況，分辨率較高。氣壓每變化0．1 mbar帶來高程測量誤差約為0．82 m[10]，因此，提高測壓的分辨率和精度可以進一步提高差分氣壓測高系統高程的測量精度，當測壓分辨率達到0．01 mbar時，系統理想的高程分辨率達到0．082 m，由于系統誤差等因素的存在，由圖6可知，高程測量的分辨率仍然可以優于0．2 m。

4 結束語

壓力傳感器BP5607具有良好的重復性以及批量生產性，便于實現壓力傳感器的單片集成，隨著測控領域技術的不斷發展，將高靈敏、高分辨率的壓力傳感器嵌入到其他的電子勘測系統，將會有更多的場合受益于這些高靈敏度的壓力傳感器。本文利用LPC1768作為微處理器，設計實現BP5607的差分氣壓測高模塊，并且結合簡化的差分氣壓測高方法，具有較好的穩定性、可靠性，在高程測量領域中對于提高精度和分辨率方面有較好的效果，在高程測量領域有著一定的參考價值。

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