李玉爽 劉東明

摘 要 為滿足油井現(xiàn)場在線測量示功圖的需求，本文設(shè)計(jì)了一種無線載荷傳感器，使用了具有24位分辨率的低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器NAU7802，簡化了前端模擬電路設(shè)計(jì)。文中分析了NAU7802特性，給出了NAU7802應(yīng)用電路圖，重點(diǎn)講解了NAU7802初始化流程。最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明采用NAU7802處理前端模擬信號(hào)，具有精度高、功耗低等特點(diǎn)，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞 示功圖；無線載荷傳感器；NAU7802

載荷傳感器是油井示功圖測量儀器的重要組成部分，當(dāng)前示功圖測量儀器多半采用有線連接的載荷傳感器，存在現(xiàn)場施工不便、無法長時(shí)間在線測量等弊端。本文設(shè)計(jì)了一種無線載荷傳感器，可以長時(shí)間安裝在油井上，與無線位移傳感器配合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線示功圖測量。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

對(duì)于無線載荷傳感器來說，需要使用電池供電，工作環(huán)境比較惡劣，溫度變化范圍比較大，設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要是測量精度和功耗控制[2]。本文采用低功耗24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器NAU7802、低功耗單片機(jī) P89LPC922和微功耗無線數(shù)傳模塊APC240實(shí)現(xiàn)載荷傳感器的數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送，由于采用了NAU7802處理前端模擬信號(hào)，大大簡化了系統(tǒng)電路和軟件編程，有效的降低了系統(tǒng)功耗，提高了測量精度。

1.NAU7802應(yīng)用電路

NAU7802是新唐公司近期推出的具有24位分辨率的低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。工作電壓2.7V~5.5V，工作電流2.6mA，待機(jī)電流0.1μA，內(nèi)部集成了為傳感器供電的可編程LDO，從電源特性可以看出，NAU7802非常適合于電池供電的非連續(xù)采集應(yīng)用。NAU7802片內(nèi)集成了低噪聲可編程增益放大器（PGA），放大倍數(shù)可選1—128。A/D核心是一個(gè)分辨率為24位的sigma-delta（Σ-Δ）模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最高有效位數(shù)可達(dá)21位。內(nèi)部還集成了數(shù)字濾波器，可以對(duì)50Hz和60Hz的干擾進(jìn)行-90dB的抑制。時(shí)鐘信號(hào)可以由外接晶振提供，也可以由內(nèi)部RC振蕩器提供，便于簡化外部電路設(shè)計(jì)。

無線載荷傳感器前端電路如圖2所示。采用NAU7802通道1對(duì)載荷傳感器的電橋信號(hào)進(jìn)行放大、采樣和量化，得到壓力的數(shù)字量由單片機(jī)通過I2C接口讀取。

2.NAU7802程序設(shè)計(jì)

NAU7802的通訊接口為2線雙向讀寫數(shù)字接口，兼容標(biāo)準(zhǔn)I2C協(xié)議，使用CPU的硬件I2C接口可以很容易的完成數(shù)據(jù)的讀寫，NAU7802工作在從設(shè)備模式，器件地址固定為0x2A，子地址范圍0x00—0x1F，可以連續(xù)讀寫。寄存器R0x00—R0x1F包括參數(shù)設(shè)置寄存器、偏移量校正寄存器、增益校正寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。

NAU7802初始化配置非常重要，只有相關(guān)參數(shù)配置正確，NAU7802才能工作在最佳狀態(tài)，初始化配置主要進(jìn)行以下步驟：

（1）設(shè)置R0x00的RR位為1，保證復(fù)位所有寄存器的值。

（2）設(shè)置R0x00的RR位為0，PUD、PUA位為1，進(jìn)入正常操作模式。

（3）大約200微秒之后，PWRUP位會(huì)變成1，表明內(nèi)部設(shè)備已經(jīng)完成上電操作。

（4）配置R0x00、R0x01、R0x02寄存器，完成LDO電壓選擇、轉(zhuǎn)換通道選擇、PGA增益選擇、轉(zhuǎn)換速度設(shè)置等操作。

（5）R0x02寄存器中的CALMOD選擇00，置位CALS位進(jìn)行內(nèi)部校準(zhǔn)，讀取并判斷CALS位，直到CALS位變成0表示校準(zhǔn)完成。

（6）設(shè)置R0x00的CS位為1，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換序列。

初始化流程如圖3所示。

初始化完成后，NAU7802按照設(shè)置的速率進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，此時(shí)可以通過R0x12—R0x14寄存器讀出轉(zhuǎn)換后的24位數(shù)字量。

另外NAU7802內(nèi)部還集成有溫度傳感器，可以通過通道2連接內(nèi)部溫度傳感器，讀出現(xiàn)場溫度，對(duì)載荷傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)炔僮鳌y量的數(shù)字量可以通過內(nèi)部R0x03—R0x10寄存器進(jìn)行偏移量校正和線性增益校正，可大大簡化現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理。

3.測試及結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的無線載荷傳感器設(shè)置NAU7802轉(zhuǎn)換速率為10次/S，模擬帶寬為2.27Hz，前端放大倍數(shù)為32倍，基準(zhǔn)電壓和傳感器供電電壓為3.0V，選用的載荷傳感器量程為15T，精度0.3級(jí)，靈敏度為1.549mV/V。系統(tǒng)經(jīng)過零點(diǎn)校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)后，在現(xiàn)場測試設(shè)備上得到如下結(jié)果：

AU7802標(biāo)稱非線性誤差為±0.0015%FS，完全滿足本設(shè)計(jì)的需求，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以看出，本文選用的NAU7802能夠滿足0.3級(jí)的載荷傳感器的測量要求。

得益于NAU7802和APC240的低功耗特性，本文設(shè)計(jì)的無線載荷傳感器待機(jī)電流低于50μA，在使用3600mAh鋰電池，每小時(shí)采集一次示功圖的條件下，可以連續(xù)工作12個(gè)月，滿足了現(xiàn)場需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭鳳華. 智能無線載荷位移傳感器改進(jìn)與應(yīng)用[J]. 科技資訊，2011，13：7-7.

[2] 唐云建，梁山，馮會(huì)偉等. 低功耗射頻喚醒無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J]. 傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（10）：2328-2332.

[3] 新唐科技股份有限公司. NAU7801/NAU7802初期數(shù)據(jù)手冊(cè).[EB/OL] .http://www.nuvoton.com/china/chs/Pages/default.aspx