胡軼群，徐俊臣，杜玉杰，李冠宇，邱文博，楊子原

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)的研究

胡軼群，徐俊臣，杜玉杰，李冠宇，邱文博，楊子原

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112）

為使海洋觀測(cè)設(shè)備在室外惡劣環(huán)境條件下仍可實(shí)現(xiàn)高可靠性、高準(zhǔn)確性的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人管理工作，介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，即通過(guò)一個(gè)校準(zhǔn)輸入通道，產(chǎn)生兩個(gè)高精度的基準(zhǔn)信號(hào)，用軟件的方法對(duì)模擬測(cè)量通道進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證測(cè)量準(zhǔn)確度。此技術(shù)已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，并在海洋監(jiān)測(cè)、氣象、環(huán)保等方面取得了廣泛的應(yīng)用。要保證自校準(zhǔn)電路正常工作，選擇一個(gè)高穩(wěn)定性基準(zhǔn)源，是本設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素，要求基準(zhǔn)源必須具有高精度、低溫度系數(shù)和高穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)采集；自動(dòng)校準(zhǔn)；基準(zhǔn)信號(hào)

隨著海洋觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)在海洋觀測(cè)領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越重要的地位。數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，是以傳感器技術(shù)、信號(hào)測(cè)量與處理技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用型技術(shù)，是獲取信息的基本手段。為使海洋觀測(cè)設(shè)備在室外惡劣環(huán)境條件下仍可實(shí)現(xiàn)高可靠性高準(zhǔn)確性的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人管理工作，本文介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，此技術(shù)已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，并在海洋監(jiān)測(cè)、氣象、環(huán)保等方面取得了廣泛的應(yīng)用。

1 自校準(zhǔn)方法的工作原理

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)圖

如圖1，數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心模塊，完成各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)和采集器工作狀態(tài)的采集、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)的分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通訊并控制管理系統(tǒng)中其他模塊的工作。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，前向模擬通道的各個(gè)部件，包括信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）都會(huì)在不同程度上給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差，而且由于電路自身的漂移，該誤差會(huì)隨著溫度和時(shí)間而漂移。要保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在全溫度范圍的測(cè)量準(zhǔn)確性，必須在技術(shù)上解決電路漂移的影響。

模擬測(cè)量系統(tǒng)的誤差分為零點(diǎn)誤差、增益誤差（滿度誤差）和非線性誤差三種類型。一般集成運(yùn)算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常都具有優(yōu)異的線性度，例如24位模數(shù)裝換器AD7714的非線性誤差為±0.0015﹪。但是模擬測(cè)量系統(tǒng)的零點(diǎn)和增益誤差是隨時(shí)間和溫度變化的，難以通過(guò)一次設(shè)備標(biāo)定永久解決問(wèn)題。

為保證測(cè)量準(zhǔn)確度，本文提出在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用自校準(zhǔn)電路：通過(guò)一個(gè)校準(zhǔn)輸入通道，產(chǎn)生兩個(gè)高精度的基準(zhǔn)信號(hào)，用軟件的方法對(duì)模擬測(cè)量通道進(jìn)行校準(zhǔn)，工作原理如圖2所示。

圖2 n通道自校準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換原理框圖

2 自校準(zhǔn)技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)及軟件流程

自動(dòng)校準(zhǔn)部分模擬電路如圖3所示：

圖3 自校準(zhǔn)模擬通道電路圖

高穩(wěn)定性基準(zhǔn)源輸入的電壓VREF在電阻上所得分壓與ADC輸出的二進(jìn)制數(shù)A之間存在線性關(guān)系：V=K*A+B，其中K、B為待定系數(shù)。當(dāng)S0與S1接通，V值為VREF在電阻R4上的分壓：VL=VREF*（15/4096），通過(guò)ADC得讀數(shù)為A1；當(dāng)S0與S2接通，V值為VREF在電阻R2上的分壓：VH=VREF*（4081/4096），ADC 讀數(shù)為 A2；由上可得待定系數(shù)K與B的值。當(dāng)系統(tǒng)所處環(huán)境溫度發(fā)生變化或時(shí)間變化時(shí)，VL、VH發(fā)生相應(yīng)變化，此時(shí)可根據(jù)線性關(guān)系V=K*A+B，隨時(shí)校準(zhǔn)系數(shù)K、B的值，實(shí)現(xiàn)模擬通道測(cè)量的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。

基準(zhǔn)電壓源進(jìn)入帶校準(zhǔn)功能的模擬開(kāi)關(guān)MAX4539。模擬開(kāi)關(guān)利用激光微調(diào)技術(shù)在內(nèi)部集成了高精度的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，分壓比精度高達(dá)0.002%，可為ADC提供進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)和增益校準(zhǔn)所需的兩路高精度標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

圖4 MAX4539內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

MAX4539的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。它是在一個(gè)普通8通道CMOS模擬開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，分壓網(wǎng)絡(luò)將外部輸入的基準(zhǔn)電壓分壓后經(jīng)過(guò)選擇開(kāi)關(guān)送往多路器輸出端。譯碼電路將控制信號(hào)及地址信號(hào)譯碼后控制內(nèi)部開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)輸入通道選擇。

MAX4539與CPU接口非常簡(jiǎn)單，CPU通過(guò)控制引腳CAL和地址引腳A0～A2進(jìn)行通道選擇。當(dāng)CAL為低電平時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)普通8選1模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)地址A0～A2可分別選擇8個(gè)模擬輸入通道。當(dāng)CAL為高電平時(shí)，通過(guò)A0～A2可分別選擇低校準(zhǔn)信號(hào)15/4096(VREFHI-VREFLO)和高校準(zhǔn)信號(hào)4081/4096(VREFHI-VREFLO)，用于ADC的校準(zhǔn)。

對(duì)任意模擬量通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，首先進(jìn)行低校準(zhǔn)信號(hào)和高校準(zhǔn)信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前信號(hào)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）的零點(diǎn)和增益，然后進(jìn)行所選模擬通道的數(shù)據(jù)采集并校準(zhǔn)，從而解決了系統(tǒng)的時(shí)間漂移和溫度漂移。具體校準(zhǔn)過(guò)程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集自動(dòng)校準(zhǔn)流程

3 高穩(wěn)定性的基準(zhǔn)電壓源的選擇

由上可知，要保證自校準(zhǔn)電路正常工作，選擇一個(gè)5 V的高穩(wěn)定性基準(zhǔn)源，是本設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素，要求基準(zhǔn)源必須具有高精度、低溫度系數(shù)和高穩(wěn)定性，本系統(tǒng)選用MAX6350，其主要優(yōu)勢(shì)如下：

（1）初始精度高。MAX6350芯片的初始精度為±0.02﹪，5 V基準(zhǔn)的準(zhǔn)確范圍是4.999～5.001 V，在滿量程時(shí)最大誤差為0.001 V，完全符合一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量指標(biāo)。

（2）驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。大多數(shù)應(yīng)用都需要電壓基準(zhǔn)源為負(fù)載供電，要求基準(zhǔn)源有能力提供負(fù)載所需的電流。文中提及的MAX6350可提供15 mA的供出和吸入電流。

（3）溫度漂移小。MAX6350溫度系數(shù)為1 ppm/℃，以數(shù)據(jù)采集器工作溫度-30～+50℃共計(jì)80℃的范圍內(nèi)，基準(zhǔn)源的變化范圍ΔV=1ppm/℃×5V×80℃=0.000 4 V，即滿量程測(cè)量時(shí)最大誤差為0.000 4 V，完全符合一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量指標(biāo)。另外，芯片溫漂是可重復(fù)性的誤差，是一個(gè)可校準(zhǔn)的系統(tǒng)偏差。通過(guò)MAX6350的溫度特性曲線和使用單片機(jī)的片內(nèi)溫度傳感器測(cè)量電路板的溫度，可以實(shí)現(xiàn)這一誤差的修正，這為以后系統(tǒng)提高測(cè)量精度提供了基礎(chǔ)。

（4）低噪聲。噪聲通常是隨機(jī)熱噪聲，對(duì)于低噪聲應(yīng)用MAX6350是很好的選擇，其噪聲性能為3μVp-p。與數(shù)據(jù)采集器的測(cè)量指標(biāo)相比可忽略。

（5）長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該參數(shù)定義為基準(zhǔn)電壓隨時(shí)間的變化，是電路能否長(zhǎng)期保持高精度測(cè)量的關(guān)鍵。MAX6350具有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)為30 ppm/1 000 hr。轉(zhuǎn)換成電壓的變化為0.000 15 V。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)采集器工作在惡劣的海洋環(huán)境，尤其在室外安裝使用時(shí)，環(huán)境溫度變化及時(shí)間變化引起的誤差不容忽視，所以必須采取措施解決電路的溫漂、時(shí)漂問(wèn)題，保證測(cè)量準(zhǔn)確度。本文中提出采用自校準(zhǔn)電路來(lái)保證測(cè)量精度，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用自校準(zhǔn)電路的確可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，從而保證了測(cè)量的高精度，實(shí)現(xiàn)了低功耗、高可靠和適應(yīng)室外惡劣環(huán)境的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]李文彬.基于聲學(xué)多普勒海流計(jì)數(shù)據(jù)采集控制技術(shù)研究[D].天津：國(guó)家海洋技術(shù)中心,2008.

[2]呂九紅.適用于自航行觀測(cè)平臺(tái)的分布式多任務(wù)開(kāi)放型測(cè)量系統(tǒng)研究[D].天津：國(guó)家海洋技術(shù)中心,2008.

[3]宋晨光.海洋要素垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[D].青島：中國(guó)科學(xué)院研究生院（海洋研究所）,2007.

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Research on Automatic-calibration Technology in Signal Processing System

HU Yi-qun,XU Jun-chen,DU Yu-jie,LI Guan-yu,QIU Wen-bo,YANG Zi-yuan
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

In order to actualize self-management,the research on automatic-calibration technology in the signal processing system was discussed.Two high precision benchmark signals were brought through one calibration input channel.In order to guarantee the measure nicety,a set of software to calibration for the simulation measure channel was programmed.This technology has been demonstrated according to the experimentation and obtained application abroad in various aspects.A high-stabilization benchmark is a key in this design.

signal processing;automatic-calibration;benchmark signal

P716，TP274

B

1003-2029（2012）01-0021-03

2011-07-10

胡軼群（1981-），工程師，主要從事單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)及軟件編程。