高精度传感器电路设计论文
ptvy80095
ptvy80095 Lv.9
2015年09月20日 23:55:00
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1系统总体方案 为提高系统输出信号的精度,采用低速、高精度的DAC。此类DAC多采用SPI或IIC总线与主控制器通信,占用控制器的IO口较少。时下流行的STM32系列或MSP430系列微控器的硬件资源都满足要求。为便于野外现场使用,系统采用锂电池供电,这就要求主控制器具有较低的功耗以延长电池续航时间,以极低功耗著称的430单片机成为首选。由主控制器、时钟电路、复位电路构成了主控制器的最小系统。系统硬件总体框图如图1所示。按键和气象量显示模块主要实现人机交互功能,用来调节输出信号的大小,设置气象量和电信号之间的转换关系等。根据气象传感器输出信号的范围,可设定若干档位的输出信号,以覆盖传感器的范围即可。按键接在430单片机的中断口上。显示模块的控制和数据总线由单片机的IO口来提供。DAC模块是产生电压信号的核心。主控制器将数字量送给DAC后得到模拟电压信号,为使产生的信号和传感器范围一致,DAC的输出信号需进行调理。数字系统和电源都会对模拟部分产生干扰,引起误差。采用DC-DC电源隔离、DAC总线隔离提高DAC输出信号的精度。输出电信号和气象量之间存在转换关系,转换函数存储于EEPROM芯片中。为进一步提高精度,系统也需要定期检定。采用零满刻度校准的方法,用高精度的数字万用电表测量输出信号的实际值,将实际值和理想值的差值保存于EEPROM中,系统根据差值去修正输出信号,差值和转换函数都通过串口由上位机写入存储电路中。软件补偿切实提高了系统的稳定性和精度。

1系统总体方案

为提高系统输出信号的精度,采用低速、高精度的DAC。此类DAC多采用SPI或IIC总线与主控制器通信,占用控制器的IO口较少。时下流行的STM32系列或MSP430系列微控器的硬件资源都满足要求。为便于野外现场使用,系统采用锂电池供电,这就要求主控制器具有较低的功耗以延长电池续航时间,以极低功耗著称的430单片机成为首选。由主控制器、时钟电路、复位电路构成了主控制器的最小系统。系统硬件总体框图如图1所示。按键和气象量显示模块主要实现人机交互功能,用来调节输出信号的大小,设置气象量和电信号之间的转换关系等。根据气象传感器输出信号的范围,可设定若干档位的输出信号,以覆盖传感器的范围即可。按键接在430单片机的中断口上。显示模块的控制和数据总线由单片机的IO口来提供。DAC模块是产生电压信号的核心。主控制器将数字量送给DAC后得到模拟电压信号,为使产生的信号和传感器范围一致,DAC的输出信号需进行调理。数字系统和电源都会对模拟部分产生干扰,引起误差。采用DC-DC电源隔离、DAC总线隔离提高DAC输出信号的精度。输出电信号和气象量之间存在转换关系,转换函数存储于EEPROM芯片中。为进一步提高精度,系统也需要定期检定。采用零满刻度校准的方法,用高精度的数字万用电表测量输出信号的实际值,将实际值和理想值的差值保存于EEPROM中,系统根据差值去修正输出信号,差值和转换函数都通过串口由上位机写入存储电路中。软件补偿切实提高了系统的稳定性和精度。

2模块电路设计

2.1主控制器端口分配及人机交互模块

主控制器选择TI公司的MSP430F169,利用其丰富的中断作为按键输入,内部自带的UART模块实现串口通信,采用IO口模拟SPI总线与DAC通信,低功耗的128×64LCD用于显示输出信号大小及对应的气象量。主控制器的最小系统及端口分配如图2所示。主控制器的P1.0~P1.3接按键,采用中断方式。4个按键的功能包括:调节电信号和气象量之间的转换关系键SET、增大和减小输出信号键UP和DOWN、确认保存参数键ENTER;P3.0~P3.3端口的RS、RW等为LCD的控制总线;P5.0~P5.7为LCD的数据总线;P3.6~P3.7为单片机部自带的UART模块的收发端口,用于串口通信;P4.0~P4.2作为DAC的SPI总线;P4.3~P4.6用于存储器的总线。TDO/TDI~TCK为单片机的下载口。P6.0端口MeaV为单片机内部自带的ADC模拟输入通道,用来监测系统电源。晶振X2和电容C1、C2构成时钟电路,电阻R8和电容C3构成上电复位电路。

2.2模拟信号产生DAC模块

为产生程控的高精度电压信号,采用高精度的数模转换芯片,辅以总线隔离、电源隔离等措施提高精度。工艺上采用四层印制板电路。产生的信号为微伏级,选用16位的低功耗、单通道电压输出型DAC芯片AD5660,满量程输出电压范围可达2.5V。软件编程模拟SPI总线与主控制器通信。AD5660内部硬件结构如图3所示,主要由数字量输入寄存器、电阻串型DAC、基准源、输出缓冲放大电路组成。由图3可知,AD5660内部含有一个增益为2的放大器。设D为载入DAC寄存器的二进制编码的十进制等效值,则输出电压VOUT的大小为16位的AD5660-1内置1.25V的基准电压,输入数字量D的范围为0~65535。根据式(1),输出电压VOUT的范围为:0~2.5V。采用总线隔离和电源隔离措施,以提高输出电压的精度。iCoupler技术的四通道数字隔离器ADUM1401具有优于光耦合器的出色性能[4],系统利用ADUM1401作为DAC模块的SPI总线数据转换器,使AD5660的总线与主控制器完全隔离。同时,采用DC-DC芯片MEB01Z-05S05D为信号产生部分提供独立电源。MEB01Z-05S05D的输出功率可达到1W,且其具有极低的纹波,Vp-p≤10mV。其电路如图4所示。

2.3信号调理电路

湿度传感器输出信号为0~1V,气压传感器设置于模拟模式时,输出电压为0~5V,而总辐射传感器的输出信号十分微弱,小于30mV。DAC输出信号需要经过调理电路,产生与传感器输出范围和分辨率一致的信号。这里以产生0~30mV的微弱电压信号为例,设计其信号调理电路如图5所示。

2.4参数存储及串口构成软件补偿电路

除采用总线隔离、电源隔离、低温度系数电阻、低失调电压运放等提高系统输出信号的精度外。设计参数存储和串口通信电路,利用软件来对信号输出进行校准,进一步提高输出信号的精度。软件补偿的思路是采用零满刻度校准法,用高精度的61/2位数字万用电表测量系统在零点和满量程时的实际输出,并记录与理想值的偏差。上位机通过串口将偏差值写入到存储器中。系统每次进行D/A转换之间先读取存储器中的偏差值,并调整单片机送给DAC的数字量,使输出信号接近理想值。偏差值存储于EEPROM中,如图6所示。同时,气象量和电信号之间的转换函数关系也存储于EEPROM中。MSP430F169内部自带了UART模块,只需在外围辅以常用的MAX232构成电平转换电路即可与上位机通信。

3系统软件电路设计

系统任务主要包括时钟初始化、LCD的初始化、信息显示、系统电源电量显示、软件校准、按键切换输出档位等。根据各功能模块,确定系统的软件设计流程和中断服务程序功能。主程序主要完成初始化工作;电量检测需定期进行,故在定时中断服务程序中完成;档位切换和信息显示等在外部中断服务程序中实现;校准参数和转换函数通过串口的中断服务程序由上位机写入EEPROM中。系统主程序流程如图7所示。输出信号大小的调整由按键中断服务程序实现,图8为UP键按下时的服务程序流程。

4系统测试

为提高系统精度,PCB采用4层印制板。中间2层为GND和隔离后的电源。利用高精度的61/2位数字万用电表对系统进行零满刻度校准。校准步骤如下:(1)设定输出值为0mV,利用万用电表测量此时的实际输出电压值V1;(2)将V1通过串口调试助手写入下位机,单片机根据V1计算零点偏差,并保存于EEPROM中;(3)设定输出值为30mV,利用万用电表测量此时的实际输出电压值为V2;(4)将V2通过串口调试助手写入下位机,单片机根据V1,V2,计算线性校准函数的斜率和截距,并保存于EEPROM中。系统校准后,再通过按键切换输出档位,并用万用电表测量实际输出值,测试结果如表1所示。结果表明,系统经过软件校准后,输出微弱电压信号的误差小于10μV。但通过高速的数据采集卡测量,系统瞬时值存在80μV的抖动。分析其原因是由于万用电表测量时进行了滑动平均处理,测量值为短暂时间的平均值,抖动被抵消。经过反复测试和分析得知,虽然采用4层PCB在硬件上减小了干扰,但空气中的电磁场仍然在PCB板上形成了干扰。整个PCB需要采用一定的屏蔽措施或在有良好的电磁环境下测试。

5结束语

在气象检定业务中,经常需要模拟气象传感器产生一个相同范围、更高精度的微弱直流电压信号作为标准信号。系统通过高精度DAC、低失调电压运放、总线隔离、低纹波电源隔离、极低温度系数精密电阻、多层PCB、软件补偿等措施设计了一个产生微弱直流电压信号的电路。所设计的系统通过高精度的万用电表测试,结果表明,系统直流电压信号误差小于10μV,通过外置屏蔽罩以减小外界电磁场干扰。仪器的计量检定置身于良好的屏蔽环境中,将会进一步改善系统性能。
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