概述
氣壓是來(lái)自于環(huán)境氣體壓強(qiáng)的物理參數(shù)。它能夠直接反應(yīng)所處環(huán)境的氣體壓強(qiáng)狀況，也可用于預(yù)測(cè)天氣的變化。氣壓高時(shí)，天氣晴朗；氣壓降低時(shí)，將有風(fēng)雨天氣出現(xiàn)。此外，在戶外運(yùn)動(dòng)時(shí)也可以利用氣壓參數(shù)測(cè)量山體的海拔高度，飛機(jī)在空中的飛行高度等。因此結(jié)合氣壓測(cè)量及學(xué)科擴(kuò)展，它可以應(yīng)用于測(cè)量?jī)x器、戶外運(yùn)動(dòng)手表、飛行航模、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種領(lǐng)域。
氣壓計(jì)安裝測(cè)量方法可以簡(jiǎn)單分為水銀氣壓計(jì)和無(wú)液氣壓計(jì)。傳統(tǒng)的水銀氣壓計(jì)雖然具有無(wú)需外部供電，制作成本簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但是存在測(cè)量精度不夠、存在讀數(shù)誤差、極限工作溫度范圍較窄等不足。因此，高精度、低功耗、使用簡(jiǎn)易的電子式無(wú)液氣壓計(jì)方案應(yīng)運(yùn)而生。本方案采用超低功耗的EFM32 作為主控MCU，氣體壓力檢測(cè)部分采用美新最新推出的高精度數(shù)字式氣壓傳感器
MPTC120NWL 設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
EFM32 是由挪威Energymicro 公司采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核設(shè)計(jì)而來(lái)的高性能低功耗32 位微控制器。它具有突出的低功耗特性，適用于“三表”（電表、水/熱表、氣表）、工業(yè)控制、警報(bào)安全系統(tǒng)、健康與運(yùn)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)、手持式醫(yī)療設(shè)備以及智能家居控制等領(lǐng)域。
EFM32 按照外設(shè)資源區(qū)別可以劃分為T(mén)G、G、LG、GG 系列，還有即將推出的Cortex‐M0 內(nèi)核的ZG 系列和低功耗無(wú)線射頻系列EFR。
EFM32 的低功耗設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)僅僅追其休眠低功耗的理念，EnergyMicro 開(kāi)啟了更低運(yùn)行功能、更短Active 運(yùn)行時(shí)間、更低待機(jī)功耗、更快喚醒時(shí)間的設(shè)計(jì)思路。
根據(jù)低功耗應(yīng)用場(chǎng)合的需求設(shè)計(jì)獨(dú)具特色的外設(shè)反射系統(tǒng)PRS，它結(jié)合DMA應(yīng)用可以達(dá)到微控制器的外設(shè)在內(nèi)核休眠的狀態(tài)下，相互之間信號(hào)靈活自主地工作，增加內(nèi)核低功耗休眠狀態(tài)在系統(tǒng)工作時(shí)間中的占比。
.EFM32 還具有豐富的低功耗外設(shè)LEUART、LETimer、LESENSE、RTC、LCD、ACMP等，它們均是經(jīng)過(guò)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，外設(shè)本身的功耗非常低。例如LEUART在EM2 模式下運(yùn)行僅需150nA@9600bps；RTC 運(yùn)行在EM2 模式下系統(tǒng)整機(jī)僅需900nA。
.EFM32 具備ARM 公司的高運(yùn)算性能和處理能力的Cortex‐M3 核，在數(shù)據(jù)處理、指令執(zhí)行方面較于16 位的單片機(jī)，甚至傳統(tǒng)的ARM7 內(nèi)核均具有比較大的優(yōu)勢(shì)。它使得系統(tǒng)能夠更有效率地執(zhí)行完指定任務(wù)，進(jìn)入休眠低功耗模式。
.EFM32 為滿足低功耗應(yīng)用環(huán)境的需求，設(shè)計(jì)了多種低功耗運(yùn)行模式，并具有多樣式的喚醒方式。較于傳統(tǒng)的低功耗單片機(jī)僅能通過(guò)外部I/O 信號(hào)和周期事件喚醒外，設(shè)計(jì)了通信喚醒和外設(shè)相互觸發(fā)的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制。
圖 1 氣壓計(jì)系統(tǒng)框圖
氣壓計(jì)整體的結(jié)構(gòu)體框圖如上圖。系統(tǒng)采用EFM32 作為主控，根據(jù)氣壓計(jì)的數(shù)據(jù)交互方式不同可選用不同型號(hào)的EFM32 MCU。若只需要串行口UART 進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出，那么選型EFM32TG 系列即可滿足；若需要考慮USB 接口與PC 連接導(dǎo)出數(shù)據(jù)，則可以選型EFM32LG系列；若考慮無(wú)線藍(lán)牙或Wi‐Fi 方式導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)，可以考慮EnergyMicro 的低功耗無(wú)線射頻產(chǎn)品EFR 或Atheros 的超低功耗Wi‐Fi SIP AR4100。
系統(tǒng)的采集前端采用美新公司的數(shù)字式高精度氣壓傳感器MPTC120NWL；檢測(cè)歷史數(shù)據(jù)的保存采用Spansion 公司的NorFlash 器件或考慮SD 卡保存。人機(jī)交流方式可以選用低成本、低功耗LCD 段碼液晶屏顯示，也可以選用16 位色的TFT 液晶屏，EFM32GG 系列帶TFTDriver 驅(qū)動(dòng)器，可以直接高效地驅(qū)動(dòng)TFT 液晶屏。
氣壓傳感器
MPTC120NWL 是一種高品質(zhì)、低成本的電容式絕對(duì)壓力傳感器，集成了溫度補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號(hào)輸出。功耗極低的休眠模式，寬電壓供電（2.5V‐5.5VDC）。利用單晶硅結(jié)構(gòu)作為傳感器單元，壓力端口位于傳感器背部，使得MPTC120NWL 能夠在極端溫度和其他惡劣環(huán)境下正常使用。MPTC120NWL 由超小型電容式MEMS 壓力傳感單元和高精度數(shù)字處理和標(biāo)定電路（MCU）組成. 壓力測(cè)量范圍在5‐120kPa。I2C 接口輸出。集成的Σ‐ΔA/D 轉(zhuǎn)換器和具有內(nèi)部校準(zhǔn)功能的邏輯電路共同保證了傳感信號(hào)獲得充分的補(bǔ)償溫度和精確的數(shù)字壓力信號(hào)輸出。因此無(wú)需再坐任何外部校準(zhǔn)補(bǔ)償，內(nèi)部的高性能MCU 已充分補(bǔ)償及標(biāo)定，確保高精度的溫度和壓力輸出. 兩種可選模式（正常與睡眠）和外部的“即測(cè)即用”確保操作靈活，應(yīng)用范圍十分廣闊。
產(chǎn)品特點(diǎn)
.完全校準(zhǔn)的溫度及壓力輸出
.溫度和壓力采樣頻率及分辨率可調(diào)（8,10,12 或14 位）
.采樣時(shí)間短：0.7ms(8 位)，1.6ms(10 位)，5.0ms 12 位），8.5ms（14 位）
.供電電壓：3.0V±10％或5.0V±10％
.絕對(duì)溫度范圍：‐40℃至+125℃
.壓力精度：<±0.2kPa@25℃
.溫度精度：±1.0℃
.具有自動(dòng)休眠功能
.內(nèi)置時(shí)鐘，無(wú)需外部時(shí)鐘
.適于傳感媒介的高阻抗性能
氣壓計(jì)算法
MCU 通過(guò)I2C 接口按照如下時(shí)序，可以讀取到MPTC120NWL 的14 位氣壓寄存器原始值和溫度寄存器原始值。
數(shù)字氣壓計(jì)及高度計(jì)" src="http://files.chinaaet.com/images/2012/07/03/20b94a55-b42b-4886-9beb-aa91dffa1134.jpg" />
讀取數(shù)據(jù)之后，補(bǔ)償輸出可以按照下列方程式計(jì)算.
壓力輸出
例如，30 到120kPa 范圍內(nèi)的14 位補(bǔ)償壓力值可以這樣計(jì)算：壓力（kPa）=（壓力高字節(jié)[5:0]×256 + 壓力低字節(jié)[7:0]）/2^14×90 + 30
溫度輸出
14 位補(bǔ)償溫度值可以這樣計(jì)算：
溫度[℃]=( 溫度高字節(jié)[7:0] × 64 + 溫度低字節(jié)[7:2] /4)/2^14×165 – 40
*此方程式的溫度范圍是‐40–125 ℃
根據(jù)以下氣壓與高度的關(guān)系曲線，可以通過(guò)方程計(jì)算得到當(dāng)前測(cè)試點(diǎn)的海拔高度，因此系統(tǒng)即具備了測(cè)高儀的功能。
方案優(yōu)勢(shì)
相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械式氣壓計(jì)而言，基于EFM32+MPTC120NWL 實(shí)現(xiàn)的本方案具有以下優(yōu)勢(shì)：
1、MPTC120NWL 是一款I(lǐng)2C 高精度數(shù)字式氣壓傳感器，免去傳統(tǒng)模式傳感器的氣壓標(biāo)定校準(zhǔn)步驟，且不要求主控MCU 具備高分辨率及精度的AD轉(zhuǎn)換器；
2、MPTC120NWL 內(nèi)部帶溫度測(cè)量，可以進(jìn)行環(huán)境溫度測(cè)量；
3、EFM32 具有運(yùn)算性能好，運(yùn)行功耗低的特點(diǎn)，能夠在低主頻高性能地完成乘除法、指數(shù)運(yùn)算等氣壓轉(zhuǎn)換計(jì)算算法；
4、EFM32 帶低功耗LCD 驅(qū)動(dòng)器、RTC 等低功耗外設(shè)，使得系統(tǒng)的集成度更高，成本更低；
5、EFM32 具有多種低功耗模式，在EM2 待機(jī)模式下，MCU功耗僅為900nA，使得整機(jī)待機(jī)功耗更低。