摘要：為實現(xiàn)提供氣壓和溫度參數(shù)的高穩(wěn)定性和高準確性的測量，介紹了MS5540C的特性和工作原理，并給出了基于MS5540C的微型傳感器相關的硬件設計，提供了部分相關軟件函數(shù)的設計作參考，最后對測量結果的補償校準進行了討論。試驗表明，該設計具有高穩(wěn)定性和高準確性。

關鍵詞：MS5540C；氣壓；SPI；溫度；校準

在工業(yè)領域、科學研究中，尤其是戶外復雜的工作環(huán)境中，經常需要高精度測量環(huán)境溫度、氣壓。但是傳統(tǒng)的專門的氣壓和溫度測量儀器存在不便攜帶，精度不高的缺點，另外工業(yè)控制環(huán)境和戶外惡劣環(huán)境下對氣壓和溫度測量儀器的影響不可忽略，甚至有時會嚴重影響測量結果。電子測量儀器的微型化合低功耗的發(fā)展趨勢，迫切需要具有高穩(wěn)定性、高靈敏度、高分辨率、低功耗、寬溫度范圍的微型便攜式的氣壓和溫度測量儀器的出現(xiàn)。MS5540C是瑞士Intersema公司推出的基于MEMS技術的數(shù)字壓力傳感器，在微型化低功耗高分辨率方面，以及高穩(wěn)定性和可靠性方面具有獨特的優(yōu)勢。本文介紹了基于MS5540C的的微型氣壓傳感器的硬件和軟件相關設計以及數(shù)據補償?shù)葐栴}。

1 MS5540C的特性和硬件電路的設計

MS5540C是SMD混合器件，集成包括精確壓阻式壓力傳感器，電阻式溫度傳感器，16位ADC和數(shù)字濾波器及SPI數(shù)字接口電路等，尺寸6．2 ×6．4 mm，工作溫度為-40～+85℃，工作電流僅為5μA，符合歐洲ROHS認證要求，廣泛應用于便攜式氣壓計高度計，天氣控制系統(tǒng)，GPS接收機等方面。

圖1是MS5540C的框圖結構。它具有引腳少接口簡單的特點。MS5540C供電電壓為2．2～3．6 V，與處理器的通訊接口為SPI串行接口，另外還需要一個32．768 kHz的時鐘輸入到MCLK引腳。

MS5540C可以非常方便地連接到微處理器，特別是帶有SPI接口的處理器，不過微處理器也要選擇-40～85℃工作范圍的工業(yè)級MCU以適應復雜的野外環(huán)境。為了提高穩(wěn)定性和可靠性，我們推薦如圖2所示的電路設計。

對于32．768 kHz的時鐘，不推薦使用晶體或MCU來提供，原因是這種晶體或MCU提高的時鐘在寬范圍溫度條件下并不能保證穩(wěn)定。圖中使用工作范圍為-40～85℃的有源晶振。時鐘晶振的電源與MS5540C相同，并且需要1～10μF之間的濾波電容及1個0．01～0．1 nF之間的去耦電容，并且通過磁珠消除高頻噪聲。晶振輸出端最好加10～33 Ω的匹配電阻。M5540C的電源端必須認真處理，如圖2所示，通過增加磁珠消除高頻噪聲，1μF和0．01μF電容實現(xiàn)濾波和去耦。PCB布局時，0．01μF電容盡量靠近VDD引腳。

MS5540C的SPI接口與MCU的連接如圖2所示，DIN和DOUT加10 kΩ的上拉電阻，并且在靠近MS5540C的SCLK端加一個15 pF的高頻濾波電容，這對于野外惡劣環(huán)境下消除干擾非常有效。

M5540C是超低功耗器件，采樣轉換期間的功耗也僅為1 mA。

2 MS5540C的程序設計

2．1 MS5540C的工作原理

MS5540C包括一個壓阻式的傳感器和傳感器接口電路。它的主要功能是將壓力傳感器輸出的未補償?shù)哪M電壓轉換成16位數(shù)字值，通過接口電路可以將16位數(shù)字值輸出。共有2個16位數(shù)字值需要輸出，分別是用于氣壓和溫度測量結果計算的D1和D2。這兩個16位數(shù)據結果是非常粗糙的，必須通過外部處理器進行補償計算，才能得到比較精確的結果。

每個模塊都會在兩個溫度和兩個氣壓值下進行工廠校準，得到6個補償系數(shù)C1～C6，這6個補償系數(shù)共64 bit，以4個16 bit的字形式儲存在模塊內的PROM中。因此，在進行補償計算前，必須先讀出這6個補償系數(shù)。關于補償系數(shù)在4個16位字中的排列方式，請參看文獻的圖4。

2．2 MS5540C的軟件設計

使用帶有SPI接口的MCU與MS5540C接口，將會使程序設計變得簡單。我們以帶有SPI接口的51單片機STCl2LE5A60S2為例來介紹MS5540C的軟件編程。

由前所述，4個16位的補償數(shù)據及2個分別為氣壓和溫度傳感器轉換而來的16位結果數(shù)據都需要通過SPI來讀取。關于這些數(shù)據的讀取，Intersema規(guī)定了一套簡單的通訊協(xié)議，協(xié)議要求處理要先發(fā)命令數(shù)據，然后才能讀取16位數(shù)據。命令數(shù)據包括起始位，設置位和停止位，各個數(shù)據有不同的設置位，另外為了復位MS5540C，Intersema還提供了一個用于reset模塊的命令，關于具體的通訊協(xié)議，請參考文獻。

數(shù)據定義：

在程序中調用上述的函數(shù)，編程非常方便。讀出的2個16位數(shù)據經過文獻1提供的校準公式進行校準后，得到溫度和氣壓的較為精確的測量結果，其中溫度的結果精確到0．1℃，氣壓精確到0．1mbar。

因為MS5540C的ADC為16位，溫度測量分辨率可以到0．01℃，對于-40～85℃之間的測量范圍，我們可以將文獻中溫度校準公式：

TEMP=200+dT*(C6+50)／1024

修改為

TEMP=2000+dT*(C6+50)*10／1024

這樣得到的結果可以使分辨率達到0．01℃。

程序設計需要注意兩點：

1)MCU發(fā)送命令和讀取數(shù)據時SPI工作方式是不一樣的，主要是SCLK采樣沿的設置不同，具體參考文獻；

2)由于在發(fā)送采樣溫度和氣壓的命令之后，需要等大約35 ms左右，才能讀取到采樣數(shù)據，所以在發(fā)送命令后，需要等待之后再讀取。

2．3 數(shù)據的補償

為了獲得更加準確的結果，需要對上面的計算結果進行溫度補償。溫度補償?shù)挠嬎愎饺鐖D3，在溫度20℃以下及45℃以上都需要對溫度和氣壓計算數(shù)據進行二級補償。圖3中TEMP是精確到0．1℃的結果。

另外供電電壓對測量結果也有影響。供電電壓僅在3．0 V時測量結果沒有誤差，而大部分情況下MS5540C的電壓可能為3．3 V，這時測量結果就需進行誤差補償。由圖4中的曲線可知，在3．3V供電時，溫度誤差很小，可以忽略不計。但對于800mbar以上的氣壓的結果誤差在0．1～0．2之間，故我們建議對于結果500 mbar以下的氣壓不需補償，500 mbar以上的氣壓結果需要減去0．1 mbar以進行補償。

由于氣壓與海拔有非常密切的關系，所以用MS5540C也可以做成高度計(海拔計)。根據以下美國大氣1976的公式

可知測量只要出p，就可以算出高度h了。這個公式考慮了溫度的影響，計算結果分辨率可以達到幾個厘米。

3 結論

文中介紹了微型數(shù)字傳感器MS5540C的特性和主要功能，并給出了硬件連接電路和注意事項，對于軟件的處理和結果的補償也進行了討論，具有較大的實用參考價值。實踐證明，筆者設計的電路和軟件在戶外的惡劣環(huán)境下也能很好正常工作，并且測量結果也是相當精確的。