MEMS压力传感器芯片的数字信号调理与设计实现

作     者：黄奇峰 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢雪松

授予年度：2019年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：压力传感器 压力校准 ARM7TDMI 数字降采样滤波器 IIC 

摘      要：随着MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)技术和集成电路技术的发展,压力传感器呈现出数字化、小型化、智能化以及集成化的发展趋势。传统的压力传感器体积大、输出信号为模拟信号,容易受到干扰,对于温漂和非线性校准基于外围分立器件的硬件校准,校准精度低。而MEMS数字压力传感器可以使用片上微处理器进行软硬件协同校准,校准精度高,同时可以通过微处理器的控制,能够达到性能最优化。本文基于实验室现有的ARM7TDMI微处理器的集成化设计,完成了一款低功耗、输出精度为18-Bit的MEMS压力传感器数字信号调理SoC(System on Chip)芯片设计。论文研究工作主要围绕着微处理器与各外设模块的通信交互展开,重点研究了数字降采样滤波器、压力校准算法、存储器组织结构以及软硬件协同控制的IIC(Inter-Integrated Circuit)串口设计。主要工作内容包括:(1)了解MEMS压力传感器的发展以及国内外的研究现状。深入研究了压阻式压力传感器的基本工作原理以及影响性能的非理想因素,介绍了当下主要采用的针对温度漂移和非线性补偿的校准算法,基于现有的实验平台,确定了一种有效解决温度漂移和非线性的压力校准算法。(2)根据现有需求,提出了芯片的系统架构。该芯片集成了模拟前端电路、微处理器、数字降采样滤波器、校准算法、存储器、EEPROM(Electrically Erasable Programmable read only memory)控制模块、串口通信接口及其他的外设模块。(3)对芯片系统结构展开数字前端的分析与RTL(Register Transfer Level)设计。其中对数字降采样滤波器的模型例化,采用Matlab仿真模型,然后进行浮点转为定点模型仿真。在RTL实现方面,乘法运算采用CSD(Canonic Signed Digit)编码降低面积,采用门控时钟降低功耗,对输出进行截断处理。压力校准算法采用状态机实现加法器和乘法器的分时复用,降低了面积与功耗。对于各个外设的逻辑地址管理,采用MMU(Memory Management Unit)管理单元进行控制。IIC串口通信模块采用软硬件协同控制的设计方法,使该IIC串口更灵活,可以适用于市面上大部分IIC协议。针对实验室的现有IP EEPROM,设计了基于APB总线控制的EEPROM独有控制逻辑。在完成设计后,对系统中的模块进行RTL仿真,将仿真结果进行数据分析。在仿真满足设计要求后,进行FPGA(Field-Programmable Gate Array)的软硬件协同验证,搭建系统的FPGA验证平台。验证结果符合预期,最后进行了芯片的部分功能测试。测试结果表明,EEPROM控制模块正常运行,IIC的软硬协同控制可以满足两款协议不一致的EEPROM。