基于MAX1454的压力变送器设计

浙江盾安人工环境股份有限公司 张 焱 冯剑桥 楼小龙

基于MAX1454的压力变送器设计

浙江盾安人工环境股份有限公司 张 焱 冯剑桥 楼小龙

本设计采用的信号调理控制芯片是美国Maxim公司生产的MAX1454，该芯片内含温度传感器和ADC、DAC转换电路可使得压力变送器的体积进一步减小，成本降低。压力、温度信号经ADC转化成数字信号，通过对芯片的编程实现了信号的温度补偿，最终压力以0.5～4.5V标准电压信号输出。测试结果表明压力变送器经过补偿以后，在-20～80℃的温度范围内输出信号与压力成较好的线性关系，测量的误差小于0.3%。

信号调理芯片；压力变送器；温度补偿

1.信号调理控制芯片简介

MAX1454是美国Maxim公司在MAX1452基础上改进推出的一款高度集成的模拟传感器控制芯片。该控制芯片提供放大、校准和温度补偿功能。它内含一个可编程的传感器激励，一个32级可编程增益放大器(PGA)，一个2K*8位内部快闪记忆体，四个16位DAC，片上温度传感器。此外，为了抵消和跨度补偿，同时提供了一个偏移量TC和FSO TC[1]。

老款MAX1452适合灵敏度较高的扩散硅压阻式压力传感器，若采用陶瓷压阻式压力传感器，则需要运用其内部运算放大器才能实现，具有一定的局限性[2]。而MAX1454其可支持的传感器灵敏度范围扩展为1mV/V至200mV/V，其放大倍数增大至2048倍，因此具有较好的通用性。其自带的45V的过压保护和反向电压保护至45V功能进一步减少了有过压和反向保护要求的PCB布局。

2.系统原理

如图1所示。MAX1454控制芯片通过IN+，N-采集陶瓷压阻式压力传感器输出的压力差分信号，芯片内部的温度传感器采集温度信号。MAX1454以此为温度变址进行寄存器（OFFSETDAC和FSOTCDAC）查询。压力差分信号的初步偏移量在信号放大器输入端粗调，再通过运算放大器（PGA）进行放大后得到0.5-4.5V标准电压信号的形式输出。

3.硬件设计

图1 系统原理图

表1 补偿之后的压力变送器在不同温度下的输出的电压值

图2 硬件组成原理图

图3 温度补偿设计软件流程图

MAX1454的开发工作主要体现在若干寄存器的配置，因此所用外围器件很少。所有的外围器件很少，整个系统仅由控制芯片MAX1454和若干滤波电容、电阻，压力传感器组成。陶瓷压阻式压力传感器的激励源利用芯片内部配置的激励源和外部的滤波电容C4、C5、C6实现。如图2所示。

控制芯片引脚13VDDF和引脚14VDD通过20欧姆的电阻R1连接，引脚13VDDF通过0.1uF电容连接至GND。系统的电源从外部+5V直接经滤波电容C1由VCC接入。外壳地EARTH与地GND通过电容Cef连接。为了改善通讯质量，引脚12OUT/DIO可选一个输出EMI抑制C3。

4.软件设计

温度补偿的软件编程是系统设计的核心，它决定了系统的精度[3-4]。补偿的过程分为2个部分：常温预校准过程和温度补偿过程。

在补偿之前，先要进行参数设定，即初始化。目标输出为0.5～4.5V。因此初始化设置输出量程Span为4V，目标偏移UZ为0.5V，OTCDAC和FSOTCDAC为0000hex，OFFDAC为4000hex，FSODAC为4000hex，PGA为1。

由于不同的陶瓷压阻式压力传感器桥路电阻、灵敏度等参数存在较大的差异，需要在使用前进行预校准，以保证MAX1454内部电路工作在线性和可调节的范围内。

在预校准之后，就可以进行正式补偿了。MAX1454理论上最多可以进行114个点的温度补偿。如果只进行一点补偿，则写入E2PROM中所有空间的补偿数据都相同。进行两点温度补偿时，则会对不同温度点的校准数据做线性化拟合。进行三点及以上的温度补偿时，对不同的温度点的校准数据进行二次拟合[5]。

在进行温度补偿前，先把压力变送器放置在恒温箱内一段时间（或者当MAX1454内部温度传感器的测试温度与需补偿温度点一致）后就可以进行补偿。具体补偿流程图如图3所示。

在所有设置的需校准的温度点补偿后，系统会自动依据不同补偿温度下的

在每个需要校准的每个温度点都进行补偿后，软件将自动根据不同补偿温度下FSODAC和OFFDAC的值计算出-40～125℃范围内，以1.5℃为间隔的全部补偿参数，并写入MAX1454的EEPROM中。至此MAX1454补偿电路就完成了对陶瓷压阻式压力传感器的温度补偿。

5.测试结果分析

试验中利用MAX1454温度补偿系统对上海盛拓传感器公司的ms18c-010-1陶瓷压阻式压力传感器在-20～80℃温度范围内进行6点2压力补偿（分别在-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、80℃和零点0Bar和满量程10Bar），校准补偿后写入并保存参数。然后测量传感器在不同温度点下施加不同压力时的输出电压。期间，压力变送器一直正常工作。测试数据如表1所示。

实际应用测试结果表明，MAX1454的温度补偿设计可同时纠正陶瓷压阻式压力传感器的温度漂移，经过MAX1454补偿后成为零点为0.5V，量程为4V的压力变送器，而且传感器的输出受温度影响而产生的误差降到了满量程输出的0.3%以内，如果补偿的温度点更加密集，压力变送器的补偿精度会进一步提高。

[1]美国MAXIN公司.MAX1454参考资料.

[2]赵岩,李永红,王恩怀.基于MAX1452的MEMS压力传感器校准系统设计[J].仪表技术与传感器,2009(10):94-96.

[3]彭春文,朱红杰,付世平等.OEM硅压力传感器温度补偿技术研究[J].仪表技术与传感器,2000(7):9-11.

[4]Gustafsson M G,StepinskiT.Studyse of split spectrum prccessing optional detection and maximum likelihood amplitude estimation using a simple cluttemode Ultrasonics,1997,35(1):31-52.

[5]陈洪才,陈建,张伟玉.基于MAX1464的智能压力变送器设计[J].天津农学院学报,2006,13(4):28-30.

Design of Pressure Transducer Based on MAX1454

ZHANG Yan，FENG Jian-qiao，LOU Xiao-long
（ZhengJiang Dunan Artificial Environment co.，LTD，Hangzhou 310000，China）

The core of the intelligent pressure transducer is MAX1454，which is made by Maxim Integrated Produtes.The temperature sensor ADC and DAC are integrated in it，so the size of the transducer and the consumption of power can be reduced.The pressure and temperature analog signals can be converted into digital signals.The temperature can be compensated by software and the transducer outputs 0.5～4.5V voltage.The experimental results show that the relation between the pressure and the output of the pressure transducer is linear in the range of -40～80℃，the measurement error is smaller than 0.3%.

signal conditioning chip；pressure transducer；temperature compensation