1、第 1 页 共 29 页压阻式压力传感器的设计与应用摘 要压阻式压力传感器是利用半导体材料硅的压阻效应制成的传感器，具有灵敏度高，动态响应快，测量精度高，稳定性好，工作温度范围宽，易于小型与微型化，便于批量生产与使用方便等特点。论文中介绍了国内外研究现状，分析了补偿方法，同时介绍了现代信号调理技术的发展。本论文应用智能化的模拟一数字混合信号调理技术，采用 MAX1457.经调理后的传感器综合误差不超过 0.1 %。MAX1457 是一种专用传感器信号调理芯片。此芯片集成化程度较高，可以补偿硅压阻式压力传感器的温度误差和非线性误差。论文首先介绍了 MAX1457 芯片的结构，分析了芯片的设计思路
2、，在结合压力传感器自身特点的基础上，对传感器进行了一系列的调理，并介绍了相关的硬件电路及软件的核心代码。关键字：压阻式压力传感器，信号调理，MAX1457第 2 页 共 29 页Piezoresistive pressure sensor design and applicationAbstractPiezoresistive pressure sensor utilized piezoresistive effect of semiconductor material made of silicon sensor, and characterized in high sensitivity,
3、 fast dynamic response,high accuracy, good stability, wide operating temperature range, and easy-to-small and Miniaturization.This paper presents current research status domestic and overseas, and analyzation of compensation method, also modern signal conditioning technology.In this thesis, intellig
4、ent analog mixed-signal conditioning technology is adopt by using MAX1457. The post-conditioning sensor integrated error is less than 0.1%. MAX1457 is a special sensor signal conditioning chip.High integration level chip can compensate for silicon piezoresistive pressure sensor error and nonlinearit
5、y error.First, The paper introduces structure of the MAX1457 in combination with pressure sensors on the basis of their own characteristics, and signal condition circuits, then describes hardware design and software codes relevant.Keywords: Piezoresistive pressure sensor, Signal conditioning, MAX145
6、71 绪论1.1 引言新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，在利用信息的过程中，首先要解决的就是获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。它一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。传感器技术是当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，作为新技术革命和信息社会的重要技术基础，它与通信技术、计算机技术构成了信怠产业的三大支柱。压力传感器作为传感器大家庭中的一个主要成员，在实际中有着非常广泛的应用前景。其中利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的压阻式压力传感器具有
7、灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作第 3 页 共 29 页温度范围宽、易于小型化和便于进行批量生产，使用方便等特点，因而获得日益重要和广泛的应用，是发展非常迅速的一种传感器 1。由于半导体的特性参数会受温度的影响而变化，因而压阻式传感器受到温度的影响后，将会产生很大的零点温度漂移和灵敏度温度漂移，这是压阻式传感器最大的弱点，在生产实践中，需要在成品传感器出厂时对其进行温度补偿。而压阻式压力传感器由于具有频响高,体积小，精度高，测量电路与传感器一体化等特点，相当广泛地应用在航天，航空，航海，石油，化工，动力机械，生物医学，气象，地质地震测量等各个领域。在各种传感器中，压力传感器是应
8、用最为广泛的一种。目前国内市场上硅压力传感器的量程都在 1kPa 以上，更低量程的产品要依靠国外进口，因此进行更低量程的硅压阻式压力传感器的研究，实现相关技术公关对于促进硅压阻式压力传感器技术提高和相关产业发展有着实际意义。针对国内外在硅压阻式压力传感器上的研究进展和产业化情况，从复合弹性元件的设计、芯片加工工艺、芯片无应力封装和后期动静态标定等方面指出了其深入研究方向压阻式压力传感器在汽车工业、航天工业和医疗卫生、军事等各个方面有着广泛应用 2。主要研究方向集中在：(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化的硅压阻式压力传感器；（2）进一步提高灵敏度，实现低量
9、程的硅压阻式压力传感器；（3）提高工作温度，研制硅高温压力传感器；在空间探索、半导体加工等许多领域有着广泛的应用，譬如：火星气压的测量、半导体加工中的许多工艺步骤真空度的控制等。1.2 压力传感器的发展历程现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展可以分为四个阶段 3:1发明阶段（19451960 年）：这个阶段主要是以 1947 年双极性晶体管的发明为标志。此后，半导体材料的这一特性得到较广泛的应用。史密斯与 1945年发现了硅和锗的压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信号
10、进行测量。此阶段最小尺寸大约为 1cm。第 4 页 共 29 页2技术发展阶段(19601970):随着硅扩散技术的发展，技术人员在硅的（001）或（110）晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成较薄的硅弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点，实现了金属-硅共晶体，为商业化发展提供了可能。3商业化集成加工阶段（19701980）：在硅杯扩散理论的基础应证了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，发展成为可以自动控制硅膜厚度的硅各向异性，加工技术，主要有 V 形槽
11、法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中止法和微机控制自动中止法。由于可以在多个表面同时进行腐蚀，数千个硅压力膜可以同时生产，实现了集成化的工厂加工模式，成本进一步降低。4微机加工阶段（1980今）：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺成为可能。通过微机械加工工艺可以由计算机控制加工出结构型的压力传感器，其线度可以控制在微米级范围内。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入了微米阶段。1.3 国内外研究概括圧阻式压力传感器利用硅的良好的机械性能和电学性能，通过扩散或者离子注入的方法将力敏电阻注入到感压薄膜中实现了感压元件和转换电路的集成，其优点是输入和输出之间存在着良
12、好的线性关系，制作工艺相对简单，而缺点是硅力敏电阻应变计固有的温度敏感性造成传感器必须实行温度补偿，另外，感压薄膜内集成的惠斯登电桥进行信号转换给传感器的进一步微型化带来了挑战 4。圧阻式压力传感器几十年的发展主要围绕转换元件和感压元件展开：一方面将力敏电阻应变计做的更加精确和更稳定，另一方面，则是对感压薄膜的结构和加工技术进行改进。在这两者中，前者借鉴了如离子注入、精刻等大规模集成电路的现成技术，而后者成为了发展的焦点。为了做好感压薄膜的结构，人们发展了硅各向异性腐蚀、自停止腐蚀、硅一玻静电键合等硅微机械加工技术，而感压薄膜的结构本着应力集中的原则经历了平膜结构岛模结构梁模结构的大致发展第
13、5 页 共 29 页阶段。平模的设计加工比较方便，通常用来制作中高量程的硅压传感器。岛模结构中最流行的是 1977 年美国 Endevco 公司制作的双岛结构，它将力敏电阻应变计制作在 2 个岛之间以及岛与框之间的应力集中区，这样，在同等条件下可以获得较高的灵敏度。由于 4 个力敏电阻应变计都受到横向的应力，具有相似的非线性特性，构成全桥时，非线性可以互相抵消，因此，器件的非线性可以做的很小。岛膜结构适用于低量程压力的测量，利用双岛结构可以研制出量程在 10kPa 的硅微微压传感器。梁膜结构由复旦大学在 1989 年为实现量程为 1kPa 的硅压传感器而提出的结构，可以看成为一个正面的哑铃形梁
14、叠加在平膜上的结构，其结构特点时力敏电阻应变计制做作在应力集中的后梁区，这样，膜区的厚度不受力敏电阻应变计的限制，传感器的灵敏度就可以做的很高。梁膜中的典型代表另外还有美国 Honeywell 公司在 1992 年提出的 Ribbed and Bossed。结构和德国柏林技术大学提出的类似结构。1.4 课题来源及研究意义圧阻式压力传感器起源于硅传感器的发展 5，当 MEMS 技术迅速崛起之后，大大促进了硅传感器技术进步，各类硅传感器获得了商业化的广泛应用。圧阻式压力传感器是商业化的硅传感器的重要组成部分，在汽车工业、航天工业和医疗卫生、军事等各方面有着广泛应用。主要研究方向集中在：（1）将敏感
15、元件与信号处理、较准、补偿、微控制器等进行单片集成；（2）进一步提高灵敏度，实现低量程的硅压传感器；（3）提高工作温度，压制硅高温压力传感器；（4）开发硅谐振式压力传感器。在空间探索、半导体加工等许多领域有着广泛的应用，譬如：火星气压的测量、半导体加工中的许多工艺步骤真空度的控制等。目前，国内市场上圧阻式压力传感器的量程都在 1kPa 以上，更低量程的产品要依靠国外进口，因此，进行更低量程的压力传感器及硅压传感器的研究，实现相关技术攻关对于促进硅压力传感器技术的提高和相关产业发展有积极的意义。1.5 本文研究的内容1.5.1：研究硅压阻式压力传感器的工作原理；1.5.2: 设计桥式敏感元件的信
16、号调理与采样电路；第 6 页 共 29 页1.5.3：采用 EDA 工具设计原理图与电路板；1.5.4：编制软件代码。1.6 传感器设计的主要结构框图2 圧阻式压力传感器原理与结构2.1 工作原理压阻式压力传感器是利用单晶体硅材料的压阻效应制成的 6。单晶体材料受到力的作用后，其电阻率就要发生变化，这种现象称为压阻效应。根据欧姆定律，对于导体或半导体材料，其电阻 R 可用下式表示:R=L/A (2-1)式中 -半导体材料的电阻率；L-半导体材料的长度；A-半导体材料的截面积；微分后得： dR/R=d/+(1+2)dL/L (2-2)由半导体电阻理论可知：d/=E，则式（2-2）可写成：第 7
17、页 共 29 页dR/R=+(1+2)dL/L=（E+2）=K (2-3)式中 K=E+1+2-压阻系数；-应力；-泊松比；E-弹性模量；对于金属来说，E 很小，可以忽略不计，而泊松比 =0.250.5，故金属丝的灵敏度系数 Ko 近似为Ko=1+21.52对于半导体而言，E 比（1+2）大的多，故（1+2）可以忽略不计，而压阻系数 =（4080）10 m /N,弹性模量 E=1.6710 N/m，故Ks=E50100由此可见，Ks（50100）Ko此式表示，压阻式压力传感器灵敏度系数 Ks 要比金属丝应变计的灵敏度系数大50100 倍。由于半导体材料 比(1+2)大很多，因而其电阻相对变化可
18、写为R/R=/= （2-4）式（2-4）说明，半导体材料电阻的变化率R/R 主要是同P/P 引起的，这就是半导体的压阻效应。在弹性形变限度内，硅的压阻效应是可逆的，即是说在应力作用下硅的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值.2.2 压阻式压力传感器的结构早期的压阻式压力传感器是体型压力传感器 7(又称半导体应变计式压力传感第 8 页 共 29 页器)，它是利用硅单晶切割加工成薄片矩形条，焊接上电极引线，粘贴在金属或者其他材料制成的弹性元件上形成的，当弹性体受压力后便产生应力，使硅受到压缩或拉伸，其电阻率发生变化，产生正比于压力变化的电阻信号输出。随着集成电路技术的迅速发展，
19、这种半导体应变计式压力传感器后来发展成为用扩散方法在硅片上制造电阻条，即扩散硅压力传感器(又称固态压阻式压力传感器)。它是在 N 型硅片上定域扩散 P 型杂质形成电阻条，连接成惠斯通电桥，制成压力传感器芯片。本文我们主要是以扩散硅压力传感器为研究对象。fzl 扩散硅压力传感器的结构如图 2-2a 所示。其核心部分是一个圆形的硅膜片见图 2-2b，在沿某晶向切割的 N 型硅膜片上扩散四个阻值相等的 P 型电阻，构成平衡电桥，使电桥的相邻桥臂的电阻变化方向相反，即分别受拉伸力和压缩力。沿晶向的电阻排列见图 2-2c.硅膜片周边用硅杯固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部为低压腔，通常与大气相通
20、。在被测压力 P 作用下，膜片产生应力和应变，P 型电阻产生压阻效应，其电阻发生相对变化。膜片上各点的应力分布为:1=3p/8h 2(1+)r-(3+)x (2-5)2=3p/8h 2 (1+)r-(1+3 )x (2-6)式中 1径向应力；2切向应力；膜片材料的泊松系数，对硅 =0.35；p膜片承受的压力；r、x膜片有效半径、计算点半径；h膜片厚度；第 9 页 共 29 页图 a 扩散硅压力传感器的结构图 b 圆形的硅膜片第 10 页 共 29 页图 c 沿晶向的电阻排列图 2-2 压阻式压力传感器的结构图 2-2-1 为 1、2 和 x/r 的关系图。可以算出 1 在 x/r=0.635
21、时为零值。四个 P 型电阻沿晶向并分别在 x=0. 635r 处的内外排列，在 0. 635r 之内的电阻承受的 1 为正值，在 0. 635r 之外的电阻承受的 1 为负值。图 2-2-1 平膜片的应力分布图第 11 页 共 29 页2.3 压阻式压力传感器的制造硅压阻式压力传感器的硅压阻芯片是传感器的核心，应用集成电路技术制造硅杯式压阻芯片己经迅速发展为一项很成熟的技术 8。压阻式传感器的结构主要有敏感元件(俗称硅杯一形状像一只倒置的杯子，及壳体两大部分。因此它的制造工艺可以概括成两大过程:2.3.1 硅杯制作选取合适电阻率的单晶硅，进行定向一一切割一一双面磨抛，加工成一定形状一定厚度的衬
22、底基片;在硅片正面扩散惠斯通电桥的四个电阻，而在背面腐蚀一定直径的杯孔，制作成硅杯，具体的制作流程为:高温氧化一一光刻一一扩散一一蒸发一一合金一一腐蚀等 9:2.3.2 封装工艺首先对芯片进行电参数测试，选取合格的芯片，采用静电封接、低温玻璃烧结的方法将硅杯组装在壳体上;然后对传感器进行压焊、调零补偿:最后对传感器表面进行保护处理。由以上介绍的主要工艺流程可以看出，要制作一个各项参数指标完好的传感器，工艺是比较复杂的 10。制造压阻式传感器对工艺有一些必须遵守的特殊要求:1为确保传感器的灵敏度和测量精度，要求硅膜片正面四个电阻所在的圆的平面与硅杯孔的圆有较好的同心度，这需要借助一些例如双面光刻
23、、化学腐蚀等新工艺方法。2采用离子注入技术制作电桥 P 型电阻条，可以提高传感器温度性能指标。3用静电封接与低温玻璃烧结替代有机胶粘贴，可大大减小传感器的蠕变与滞后影响。第 12 页 共 29 页第 13 页 共 29 页3 调理电路的设计3.1 MAX1457 概述MAX1457 是 MAX 公司生产的一种高集成度应用于压力传感器的信号调理，是一个模拟传感器信号处理器，它是用混合信号 CMOS 技术在一个很小的面积上做成的 ASIC。适用于压阻式压力传感器的校准和补偿 11。MAX1457 内部结构示意图及其引脚见图 3.5.2.MAX1457 包括一个可编程的电流源，是用作传感器的激励。一
24、个可编程的放大器，一个 12 位的模数转换器，5 个 16 位数模转换器，和一个运放。MAX1457 的五个 D/A 转换器的补偿系数存储在外部可编程的 EEPROM 中。EEPROM 中存储有满量程输出系数（FSO） ，满量程输出温度系数(FSO TC),偏置(OFFSET),偏置温度系数（OFFSET TC）,压力非线性修正系数（LD） ，等五种修正系数。其中 OD 是调整零点位置，OTC 进行温度漂移的补偿。SD 调整量程的大小，STC 进行量程的温度补偿。LD 调整压力的非线性度。3.2 MAX1457 结构介绍及分析主名词解释MSB: 最高有效位NSB: 中间有效位LSB: 最低有效
25、位OD: OFFSET DAC 偏置系数SD: FSO DAC 满量程系数OTC: OFFSET TC DAC 偏置温度系数STC: SPAN TC DAC 量程温度系数LD: linerity DAC 线性系数AA: 镜像电流增益第 14 页 共 29 页TC: 传感器工作温度下限TH: 传感器工作温度上限Vb: 电桥激励电压即 V-bribge(随温度改变，决定量的大小)VBBUF: 电桥激励电压的缓冲输出Vbi: 理想的电桥激励电压(此时的量程为 4. 0V )Ib: 传感器激励电流PGA: 信号通道增益AGND: 模拟地Vout: 模块(传感器及 MAX1457)的输出电压Vmo: 零
26、压力时模块的输出电压Vmf: 满量程压力时模块的输出电压3.3 模拟部分MAX1457 主要包括以下六个功能模块 12:1可编程增益放大器(PGA)2可编程传感器激励电流源3五个 16 位的数字/模拟转换器4一个 12 位带数字增益和数字偏移修正的模拟/数字转换器，和一个可选的(mask programmable)两通道差分模拟开关，用于数字压力 Vout 和数字化的电桥电压 VBBUF 的输出。5一个独立的通用运算放大器6振荡电路和 Bias(偏压)发生器第 15 页 共 29 页3.3.1 可编程增益放大器(PGA)可编程增益放大器(PGA )，也称程控放大器 13。根据待测的模拟信号幅值
27、大小来改变放大器的放大倍率。在数据采集系统中，对输入的模拟信号一般要经过放大，使模拟量适合于模数转换器的电压转换范围。但是，传感器输出信号可能在很大范围内变化，若使用固定增益放大器，就不能兼顾不同输入信号幅度的放大量。PGA 器件能够很好地解决这个问题，因而在数据采集系统中被广泛使用。可编程仪器放大器是全差分式，并且和一个三位可编程增益放大器、一个用于漂移和漂移 TC 计算的加法电路以及一个单端差分缓冲器组合在一起。另外，还用一个通用运算放大器来提高信号通道增益，或者驱动一个外部传感器。图3.3.1 是仪器放大器的功能方块图。图 3.3.1 可编程增益放大器 3.3.2 可编程传感器激励电流源
28、芯片上的电流源是以镜像电流实现的(如图 3.3.2 所示)。FSO D/A 转换器的输第 16 页 共 29 页出电压决定了在管脚工 ISRC(电流源参考电流)处流过电阻 RISRC 上的电流“I” 。另外，此电流还可以由反馈电阻 RSTC (修正 FSO 温度系数)和 RLIN(校正压力线性)进行修正。然后，这个总电流 i 就能作为该镜像电流的参考，以它的乘积 I b=An* isxc 设置电桥电流。图 3.3.2 电桥驱动电路图3.3.3 数/模转换器MAX1457 含有五个 16 位的数/模转换器（D/A converter 缩写为 DAC)14，如图3.3.3 所示:偏置系数转换器(O
29、FFSET DAC),量程系数转换器(FSO DAC),量程温度系数转换器 CFSO TC DAC)，偏置温度系数转换器(OFFSET TC DAC),线性系数转换器LIN DAC)。每一个转换器都要有一个 0.O1F 或大一些的旁路电容，使其正常运行。其中 FSOTC D/A 和 LIN D/A 能以缓冲器的形式输出，因此它们可以驱动外部的反馈电阻。第 17 页 共 29 页图 3.3.3 D/A 结构示意图3.3.4 模拟/数字转换器该 MAX1457 还有一个 A/D 转换器，如图 3.3.4 所示。它具有 16 位的分辨率和12 位的精度 15。一旦转换完成，就会依照状态机的状态生成一
30、个 16 位数，然后该数减去一个 12 位的数字偏置，再分为 N 等份(N=1, 2, 4, 8)，这就是数字增益调节。然后这 12 个最有效的数字即可作为输出。第 18 页 共 29 页图 3.3.4 A/D 转换器 3.4 数字功能部分介绍MAX1457 芯片的数字部分的功能实现是通过一个集成的 16 位模/数转换器及其算术单元、五个集成的 16 位数/模转换器和一个外部的 93066 串行的 EEPROM。该芯片支持外部 EEPROM 进行测试位和校准系数的存储，其两个寄存器（CR1 和CR2）用于设置模拟和逻辑部分的控制信号。每个寄存器都具有 16 位的宽度。数字部分的操作执行如下 1
31、6:从外部的 EEPROM 中更新 CR1 和 CR2, OD 和 SD 的数据。在外部的 EEPROM 中，以 VBBUF 的值进行 A/D 转换的数据作为索引，更新 OTC D/A 中的数据。在外部的 EEPROM 中，以 Vout 的值进行 A/D 转换的数据作为索引，更新 LD D/A 中的数据。在外部的 EEPROM 中，根据 VBBUF 的值进行 A/D 转换的数据作为索引，更新STC D/A 中的数据。保持 D/A 和 CR 中上一次的值。使得 A/D 输出的数据在试验器上可视。经由 MCS, ECS, ECLK, EDI 和 EDO 的测试系统接口。第 19 页 共 29 页3
32、.4.1 模数转换器这个模/数转换器反复转换电桥电压 VBBUF 和 Vout(可选)。该 16 位 A/D 的输出经过处理，生成一个基于偏置和数字增益寄存器中的值的 12 位数。在操作频率为 100kHz 时，该 A/D 转换器的转换速率为 160ms .从 A/D 中得到的这个 12 位数对于试验者是可视的，它有助于模拟通道中的校准。该 A/D 数据输出的一部分用于产生一个地址，该地址指向外部 EEPROM 中的OTC 或 FSOTC 的一个数据。因此，从外部 EEPROM 中返回的数据是跟桥电压(温度)、VBBUF 和 Vout 相关的。3.4.2 连接器连接器是连接计算机并口与 MAX
33、1457 测量模块的一个转换电路，这里只介绍简单功能。该连接器通过四个 EEPROM 的管脚和 MCS 的使用来完成将数据分配到EEPRCM 中去，同时监控来自 MAX1457 的数据。MAX1457 没有任何能被测试系统直接寻址的寄存器。测试系统只能更新 EEPROM 中的数据，然后必须等待 MAX1457 在其正常的状态机活动时段内，载入来自 EEPROM 的值。在没有来自转接器的驱动信号时，一个内部的 50 千欧的上拉电阻将把 MCS 置高。也就是说，MAX1457 在只加电源，而没有其它外部信号的情况下，MCS 将置高，这一点对控制状态机非常重要，在软件部分将用到这一条件。通过计算机的
34、并口发指令给连接器，控制整个测量系统。3.4.3 配置寄存器该数字功能部分还包括两个配置寄存器(CR). CR1 用于设置模拟信号通道的控制位和 A/D VBBBF PGA 的增益。CR2 用于设置 A/D 的控制位和数字增益及偏置。CR1 和 CR2 都是从外部的 EEPROM 中加载数据的。为了能和以后的修改相兼容，所有的“保留”位，都必须由测试系统设置为“1”.3.4.4 数模转换器MAX1457 有五个 16 位的数字/模拟转换器。数字功能部分是要从数据总线上获取数据，放到 D/A 中。第 20 页 共 29 页可以加载变量的 D/A 被称作动态 D/A. OTG D/A 和 FSOT
35、C D/A 都是动态的，因为从 FEPROM 中加载到它们中的系数是由桥电压（VBBUF)决定的。这两个 D/A 分别修正 Offset TC 和 FSO TC 的误差。LIN D/A 也是一个动态的 D/A，因为它的系数是依照 Vout 的值进行变换的。OFST D/A 和 FSO D/A 是静态的，因为重复加载到它们上的各自的系数总是同一个确定的值。3.5 压阻式压力传感器的设计使用一片 MAX1457, 93C66，及一个传感器可以构成一个传感器的模块如图3.5.1，电路示意图见图 3.5.2EEPROMMAX1457ECSECLKEDIEDO传感器接 口图 3.5.1 传感器设计模块图
36、接口为补偿模块与外围电路之间的接口，主要包括信号线 ECS, ECLIC, EDI, EDO 的输出端，及 MAX1457 芯片选信号 MCS 的输出端。这个接口可以使用一个十针插头来实现。计算机通过并口及其相关电路与补偿模块的接口相连接，控制MAX1457 及 EEPROM，完成对 EEWROM 的读写及对 MAX1457 输出信号的读取。通过这样一个系统，可以完成对一路传感器的校准。在这个模块中，核心元件是调理芯片 MAX1457,调理芯片通过一个接口电路与第 21 页 共 29 页并口相连。3.5.2 设计原理图3.6 并口简介并口，也就是 LPT 接口，是采用并行通信协议的扩展接口。并
37、口的数据传输率比串口快 8 倍，标准并口的数据传输率为 1Mbps，一般用来连接打印机、扫描仪等。所以并口又被称为打印口 17。最初的并口设计是单向传输数据的，也就是说数据在某一时刻只能实现输入或者输出。后来 IBM 又开发出了一种被称为 SPP(Standard Parallel Port)的双向并口技术，它可以实现数据的同时输入和输出，这样就将原来的半互动并口变成了真正的双方互动并口;Intel, Xircom 及 Zenith 于 1991 年共同推出了EPP(Enhanced Parallel Part,增强型并口)，允许更大容量数据的传输(5001000byte/s)，其主要是针对要
38、求较高数据传输速度的非打印机设备，例如存储设备等;紧接着 EPP 的推出，1992 年微软和惠普联合推出了被称为 ECP(Extended 第 22 页 共 29 页Capabilities Part)的新并口标准，和 EPP 不同，ECP 是专门针对打印机而制订的标准;发布于 1994 年的 IEEE 1284 涵盖了 EPP 和 ECP 两个标准，但需要操作系统和硬件都支持该标准，这对现在的硬件而言已不是什么问题了。目前我们所使用的并口都支持 EPP 和 ECP 这两个标准，而且我们可以在 BIOS 当中自己设置并口的工作模式。SPP 有 3 个寄存器，以基地址依次排列，分别为数据口，状态
39、口，控制口。PC 机支持 3 个并口，基地址和中断分别为 378H/IRQ7, 278H/IRQ5, 3BCH/IRQ7。在本软件中，首先应当确认在 BIOS 中确认并口类型为 SPP，基地址设置为378H/IRQ7.数据口:地址为 0x378, PC 机从此端口输出数据。状态口:地址为 0x379，不带锁存的 5 位输入口，低三位未用。最高位状态在连接器引脚和对应的寄存器位之间进行了反相，在读入数据时应当反相处理，即读入为“1“，应按“0”进行处理，反之亦然。控制口:地址为 Ox37A，可兼作输入输出端口，一般用作输出端口。MAX1457 就是基于并口设计的芯片。MAX1457 系统与 PC
40、 机的数据传输是通过PC 机的并口(LPT1)，及 MAX1457 和 PC 机之间的并口扩展电路实现。用并行接口接受特定种类的串行数据。在 ASIC 中使用的是同一时钟信号，ASIC 通过判断 ECLK 的高低读取数据。3.7 并口扩展电路并口扩展电路是连接在 PC 机的 LPT1 口和 MAX1457 硬件电路的数字接口(如图 3.6.1 所示)，通过该并口扩展电路，PC 机和 MAX1457 进行数据的传输。IEEE1284 标准规定了并行接口驱动器和接收器的细节特征，第一级设备与并口设计相似，这里采用 74HC244 是为了增加驱动能力，完全可以满足需要。如图所示，37A 为控制口，控
41、制缓冲器的片选。从图中可以看到，ECS, ECLK, EDI，EDO 接 MAX1457 的相关引脚，同时接 93C66 的相关引脚，当 1457 的片选引脚 MCS 无效，PC 机主要完成与 93C66 的读写，此时 MAX1457 对输入信号量不响应;在第 23 页 共 29 页片选引脚 MCS 有效时，MAX1457 依照状态机从 93C66 中读取参数，PC 机通过 379端口，同时监测各个信号量。图 3.6.1 并口扩展电路第 24 页 共 29 页4 软件部分简介4.1 相关软件的介绍在本论文中，软件部分主要是为了实现在对传感器补偿过程中，完成 EEPROM中校准参数的写入。在这其
42、间主要实现对 EEPROM 实现读操作，写操作，以及对ASIC 输出值的读取。软件的关键是通过并口实现上述操作。软件所用的工具是VC18。在对 ASIC 的使用中，如何读 Vb,以及如何形成地址都是需要解决的问题。是要通过读到的 Vb 形成准确的向量表中的对应地址，在软件当中是要根据所形成的地址写入相应的参数。首先分析 Vb 和地址之间的关系。经过研究，发现了一定的规律。影响生成地址的变量除了 Vb 外，还有 GAIN, OFST, A/D 转换器中的 2 位增益 A。开启值 Vb 的规律如表 4.1:开启値 Vb 规律表 4.1首先分析 OFST, OFST 是三位 16 进制数，比如是 0
43、x400，此时 addr=0x11，最高位的变化影响地址高位的变化，OFST=Ox500,addr=Ox21;OFST=Ox600, addr=0x31;中间一位的变化影响地址的最低一位，OFST=Ox510, addr=Ox22;OFST=0x520，addr=0x23;当 OFST 的最低位大于 8 时，地址加 l 。 GAIN 的大小，决定了每当 addr 增加 I, Vb 应有的变化幅度。当 GAIN=1 时，Vb 的变化应为 0x20，例如:当 Vb=0x900 时，addr 正好达到 0x09;只有当 vb 增长到0x920 时，addr 才能跳变到 OxOa。当 GAiN=2 时
44、，Vb 的跳变幅度是 0x10，当GAIN=4 时，跳变幅度是 0x08，当 GAIN=8 时，Vb 的跳变幅度是 Ox04.A 值的大小，决定了 Vb 的开启值，开启值的意思是，addr 跳变到 0x09 所需要的最小值，因为第 25 页 共 29 页最低地址位 0x08，无论 Vb 的值有多小，都会指向 0x08。当 OFST=0x000。4.2 核心问题的程序编写软件的核心问题是实现 PC 机与 EEPROM 的读写问题以及 PC 机从 MAXl457 中读到 Vb 和温度补偿系数的偏移地址。下面分别介绍核心代码。_outp (0x378, 0x85);delay();_outp (0x
45、378, 0x87);delay();以上语句实现了向 EEPRDM 写入 l。_autp (0x378, 0x8I);delay();_outp (0x37$, 0x83);Delay（） ；以上语句实现了向 EEPROM 写入 0。写入 EWEN 指令后，可以置 CS 为低，而后置 CS 为高，在这个周期内，完成写指令，即先写入 10l，而后依次输入地址与数据.每写入一个数字量，都需要把握好其与CL的时序关系。读函数与写函数的方法是一样的。在读取数据时，首先写入读指令 110，而后写入地址，这些都与写函数相同，在 EEPROM 引脚读数据，源代码如下:_ outp (0x378, 0x81
46、):delay():number=_inp(0x379);delay();_outp (0x378, 0x83);第 26 页 共 29 页delay();查询 ECS 的方法如下:DoECS=_inp (0x379); /查询 EGS 状态ECS=3;if（ECS /查询 ECLK 状态ECLK=2;if(ECLKWhile(1) ; /ECLK 为高Vb=_inp(Ox379); /接收数据 Vb通过并口可以读到 12 位 Vb 值， ，此时 EEPROM 同样接收到这些信息，而响应的在 EDO 线输出 16 位数，这些数据没有任何意义。第 27 页 共 29 页5 结论在千变万化的信息世
47、界中，信息的摄取已经成为科技发展的关键，这就决定了传感器在当前社会科技发展中的重要作用。而压阻式压力传感器以灵敏度高、分辨率高、动态响应好等优点被广泛应用，所以传感器的设计与应用一直是一个热点话题，很多人在这方面做了大量研究。本论文中，采用 MAX1457 信号调理芯片，和通过软件实现了压阻式压力传感器的应用。在查阅了相关资料，分析了传感器电路和发展状况；并对设计结果进行了模拟和仿真。在分层次分模块的硬件设计，最终达到了设计之初的指标，基本上完成了所要设计的内容。由于在实际设计的过程中遇到了很多以前没有接触过的问题，通过和导师以及同学们的相互讨论、学习，不断的改进和完善设计最终达到了预期的设计
48、目标。通过这次的设计，理论和实践得到了很好的结合，学到了很多知识，对于设计流程有了一个完整的认识，对以后的学习有了更好的启发作用。通过这次的学习让我认识到了很多在课堂上学不到的知识，锻炼了我的实践动手能力，使我受益匪浅。第 28 页 共 29 页参考文献1张福学，传感器敏感元器件实用指南。北京：电子工业出版社，19932孙肖子，传感器及其应用。北京：电子工业出版社，19963黄贤武，郑莜霞，传感器原理与应用。成都：电子科技大学出版社，19954陈锦荣，传感器设计原理。南京：南京理工大学出版社，19835鲍敏杭，吴宪平，集成传感器。北京：国防工业出版社，19866刘广玉，几种新型传感器设计和应用。北京：国防工业出版社，19887孟立凡，郑宾，传感器原理及技术。北京：兵器工业出版社，20008孟立凡，蓝金辉，传感器原理与应用。北京：电子工业出版社，20079何希才，传感器及其应用电路。北京：电子工业出版社，200110赫晓剑，瞬态表面高温测量与动态校准技术研究。中北大学博士学位论文。太原：中北大学
