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NAU7802在无线载荷传感器中的应用

李玉爽 刘东明
摘 要 为满足油井现场在线测量示功图的需求，本文设计了一种无线载荷传感器，使用了具有24位分辨率的低功耗模数转换器NAU7802，简化了前端模拟电路设计。文中分析了NAU7802特性，给出了NAU7802应用电路图，重点讲解了NAU7802初始化流程。最后对系统进行了测试，结果表明采用NAU7802处理前端模拟信号，具有精度高、功耗低等特点，能够满足设计要求。
关键词 示功图；无线载荷传感器；NAU7802
载荷传感器是油井示功图测量仪器的重要组成部分，当前示功图测量仪器多半采用有线连接的载荷传感器，存在现场施工不便、无法长时间在线测量等弊端。本文设计了一种无线载荷传感器，可以长时间安装在油井上，与无线位移传感器配合，实现实时在线示功图测量。系统组成框图如图1所示。
对于无线载荷传感器来说，需要使用电池供电，工作环境比较恶劣，温度变化范围比较大，设计重点主要是测量精度和功耗控制[2]。本文采用低功耗24位数模转换器NAU7802、低功耗单片机 P89LPC922和微功耗无线数传模块APC240实现载荷传感器的数据采集、处理和发送，由于采用了NAU7802处理前端模拟信号，大大简化了系统电路和软件编程，有效的降低了系统功耗，提高了测量精度。
1.NAU7802应用电路
NAU7802是新唐公司近期推出的具有24位分辨率的低功耗模数转换器（ADC）。工作电压2.7V~5.5V，工作电流2.6mA，待机电流0.1μA，内部集成了为传感器供电的可编程LDO，从电源特性可以看出，NAU7802非常适合于电池供电的非连续采集应用。NAU7802片内集成了低噪声可编程增益放大器（PGA），放大倍数可选1—128。A/D核心是一个分辨率为24位的sigma-delta（Σ-Δ）模数转换器，最高有效位数可达21位。内部还集成了数字滤波器，可以对50Hz和60Hz的干扰进行-90dB的抑制。时钟信号可以由外接晶振提供，也可以由内部RC振荡器提供，便于简化外部电路设计。
无线载荷传感器前端电路如图2所示。采用NAU7802通道1对载荷传感器的电桥信号进行放大、采样和量化，得到压力的数字量由单片机通过I2C接口读取。
2.NAU7802程序设计
NAU7802的通讯接口为2线双向读写数字接口，兼容标准I2C协议，使用CPU的硬件I2C接口可以很容易的完成数据的读写，NAU7802工作在从设备模式，器件地址固定为0x2A，子地址范围0x00—0x1F，可以连续读写。寄存器R0x00—R0x1F包括参数设置寄存器、偏移量校正寄存器、增益校正寄存器和数据寄存器。
NAU7802初始化配置非常重要，只有相关参数配置正确，NAU7802才能工作在最佳状态，初始化配置主要进行以下步骤：
（1）设置R0x00的RR位为1，保证复位所有寄存器的值。
（2）设置R0x00的RR位为0，PUD、PUA位为1，进入正常操作模式。
（3）大约200微秒之后，PWRUP位会变成1，表明内部设备已经完成上电操作。
（4）配置R0x00、R0x01、R0x02寄存器，完成LDO电压选择、转换通道选择、PGA增益选择、转换速度设置等操作。
（5）R0x02寄存器中的CALMOD选择00，置位CALS位进行内部校准，读取并判断CALS位，直到CALS位变成0表示校准完成。
（6）设置R0x00的CS位为1，启动转换序列。
初始化流程如图3所示。
初始化完成后，NAU7802按照设置的速率进行A/D转换，此时可以通过R0x12—R0x14寄存器读出转换后的24位数字量。
另外NAU7802内部还集成有温度传感器，可以通过通道2连接内部温度传感器，读出现场温度，对载荷传感器进行温度补偿等操作。测量的数字量可以通过内部R0x03—R0x10寄存器进行偏移量校正和线性增益校正，可大大简化现场数据的处理。
3.测试及结论
本文设计的无线载荷传感器设置NAU7802转换速率为10次/S，模拟带宽为2.27Hz，前端放大倍数为32倍，基准电压和传感器供电电压为3.0V，选用的载荷传感器量程为15T，精度0.3级，灵敏度为1.549mV/V。系统经过零点校准和增益校准后，在现场测试设备上得到如下结果：
AU7802标称非线性误差为±0.0015%FS，完全满足本设计的需求，从实验结果也可以看出，本文选用的NAU7802能够满足0.3级的载荷传感器的测量要求。
得益于NAU7802和APC240的低功耗特性，本文设计的无线载荷传感器待机电流低于50μA，在使用3600mAh锂电池，每小时采集一次示功图的条件下，可以连续工作12个月，满足了现场需求。
参考文献：
[1] 郭凤华. 智能无线载荷位移传感器改进与应用[J]. 科技资讯，2011，13：7-7.
[2] 唐云建，梁山，冯会伟等. 低功耗射频唤醒无线传感器网络设计[J]. 传感器技术学报，2007，20（10）：2328-2332.
[3] 新唐科技股份有限公司. NAU7801/NAU7802初期数据手册.[EB/OL] .
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