劉書選，馬亞軍，王 偉

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

?

一種多通道高精度數(shù)字化傳感器變換裝置設(shè)計(jì)

劉書選，馬亞軍，王 偉

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

針對(duì)現(xiàn)有傳感器變換裝置受誤差及溫漂等因素影響造成采集精度不高的問題，專門設(shè)計(jì)了一種傳感器變換裝置；該變換裝置具有小型化、低成本、高性能的特點(diǎn)；采用C8051F系列單片機(jī)作為主控芯片；為了滿足8通道雙極性模擬信號(hào)采集的要求，采用2片AD公司的14位、6通道A/D芯片對(duì)±10 V范圍的雙極模擬信號(hào)進(jìn)行變換；采用前端信號(hào)放大電路、跟隨濾波處理電路及微處理器的軟件進(jìn)行線性補(bǔ)償，達(dá)到高精度變換要求；采用RS-422專用芯片完成信號(hào)的數(shù)字化傳輸；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該變換裝置的變換精度能達(dá)到0.05%，數(shù)字信號(hào)傳輸穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于軍事和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的高精度測量場合。

傳感器變換裝置；多通道；高精度；數(shù)字化傳輸

0 引言

常規(guī)飛行器一般需要較高的飛行控制精度，為了驗(yàn)證和判讀飛行器飛行中姿態(tài)角控制的精確性，需在飛行器上安裝高精度角位移傳感器及高精度傳感器變換裝置對(duì)姿態(tài)角進(jìn)行測量。[1]電位計(jì)式角位移傳感器因具有精度高、耐高溫、電阻值穩(wěn)定性好、電流噪聲小及接觸可靠等優(yōu)點(diǎn)，被飛行器等軍用產(chǎn)品廣泛使用[2-4]。但電位計(jì)式角位移傳感器隨溫度變化存在明顯的測量誤差，且其為模擬信號(hào)輸出，無法被數(shù)字化設(shè)備直接使用?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種多通道高精度數(shù)字化傳感器變換裝置，該裝置能夠同時(shí)采集多通道數(shù)據(jù)，以滿足飛行器多舵機(jī)軸的集成測量的要求，能夠通過采集角位移傳感器內(nèi)溫度傳感器的溫度值進(jìn)行在線實(shí)時(shí)補(bǔ)償，并利用前端電路放大功能進(jìn)行采集系統(tǒng)線性補(bǔ)償。同時(shí)，該裝置可以高精度采集傳感器雙極模擬信號(hào)并能轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)高效傳輸。

1 總體方案

與變換裝置配套的角位移傳感器為電阻片分壓結(jié)構(gòu)，其電阻片兩端由變換裝置供±10 V電源，通過其上面的滑片的移動(dòng)來測量角位移信號(hào)；另外該傳感器內(nèi)含有1個(gè)熱敏電阻，用于測量傳感器內(nèi)環(huán)境溫度。角位移傳感器原理圖如圖1所示。

圖1 角位移傳感器原理圖

為完成傳感器的信號(hào)處理、采集、變換及傳輸，變換裝置由以下4個(gè)部分組成：電源變換電路、信號(hào)處理電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)傳輸電路。變換裝置的總方案功能如圖2所示。

變換裝置接收上級(jí)系統(tǒng)提供的±15 V電源，通過電源濾波后，經(jīng)三端可調(diào)穩(wěn)壓器變換為±10 V電源電壓為角位移傳感器供電，變換成±12 V電源為變換裝置處理電路、AD變換電路供電，變換為+5 V電源為單片機(jī)及接口芯片供電。

四通道角位移傳感器的角位移模擬信號(hào)輸出先連接跟隨電路進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換和電壓跟隨，再進(jìn)行信號(hào)放大，后經(jīng)RC二階濾波后進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器，而四通道傳感器的溫度信號(hào)先通過分壓電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，連接跟隨電路后，進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換器。微處理器對(duì)上述八通道信號(hào)同步采集，通過I/O接口送入單片機(jī)微控制器，采集完成后，微處理器對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。此后微處理器通過RS-422協(xié)議送入中心處理器。

圖2 變換裝置功能框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

按照傳感器變換裝置的組成，分別對(duì)變換裝置的電源變換電路、信號(hào)處理電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)傳輸電路4大組成部分進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。

2.1 電源變換電路

上級(jí)系統(tǒng)向傳感器變換裝置提供±15 V的直流電源，電源變換電路通過DC/DC變換提供自身所需的±12 V、±10 V、+5 V電源。電源變換電路主要由電源濾波電路、三端可調(diào)穩(wěn)壓器電路組成。電源濾波電路采用LC濾波電路，用于對(duì)系統(tǒng)輸入電源抑制尖峰、抑制瞬態(tài)干擾，電路如圖3所示。三端可調(diào)穩(wěn)壓器電路選用LM117/LM137芯片，該芯片供電電流可達(dá)到1.5A，且穩(wěn)壓精度較高，通過精選可調(diào)電阻，輸出變換電壓范圍誤差小于0.05%，適用于為角位移傳感器精確供電。以±12 V變換成±10 V為例，電路如圖4所示，其中R9、R10、R11為精選的可調(diào)電阻。

圖3 電源濾波電路

圖4 電源變換電路

2.2 信號(hào)處理電路

角位移傳感器信號(hào)處理電路包括溫度信號(hào)處理電路和位移信號(hào)處理電路。

溫度信號(hào)處理電路如圖5所示，包括電阻分壓部分與電壓跟隨部分，電阻分壓電路使得熱敏電阻的阻值信號(hào)變成電壓信號(hào)輸出，跟隨電路進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換和電壓跟隨降低輸出阻抗對(duì)信號(hào)的衰減。

位移信號(hào)處理電路如圖6所示，包括信號(hào)電壓跟隨電路、放大電路與濾波電路。跟隨電路、放大電路及濾波電路的運(yùn)算放大器芯片均選用LM124芯片，該芯片內(nèi)含有4組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立，對(duì)于多通道信號(hào)采集，能夠達(dá)到小型化的目的。

理論上采集角位移信號(hào)不需要進(jìn)行放大處理，但在產(chǎn)品初期設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)以下導(dǎo)致信號(hào)傳輸誤差產(chǎn)生的根源：1)因需為四路位移傳感器同時(shí)供電，電源功耗較大，導(dǎo)致電源電纜傳輸回路存在壓降；2)AD電源基準(zhǔn)存在誤差；3)AD芯片存在失調(diào)和增益誤差?；诖?，產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)上增加了放大電路部分，可以通過調(diào)節(jié)圖6中R18的電阻進(jìn)行信號(hào)放大調(diào)節(jié)，以便達(dá)到輸出電壓信號(hào)精確的要求。

為了防止雜波信號(hào)的干擾，根據(jù)產(chǎn)品工作頻率的要求，設(shè)計(jì)了濾波電路，該濾波電路采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)RC低通二階有源濾波器。

圖5 放大跟隨電路

圖6 位移信號(hào)處理電路

按照75 Hz頻率的要求對(duì)濾波電路中電阻阻值及容值按照公式(1)進(jìn)行推導(dǎo)。Sallen-Key結(jié)構(gòu)RC低通濾波推導(dǎo)公式如下：

(1)

圖7 數(shù)據(jù)采集模塊電路圖

2.3 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路以單片機(jī)微處理器為核心，以AD采集芯片為重要組成單元。單片機(jī)高速處理器可實(shí)現(xiàn)角位移傳感器的信號(hào)采集及RS-422信號(hào)傳輸功能，單片機(jī)選用C8051F系列芯片，其內(nèi)置8K Flash存儲(chǔ)器，256字節(jié)數(shù)據(jù)寄存器，該芯片具有25 MIPS的處理速度，是普通單片機(jī)處理速度的十倍左右，能滿足時(shí)序傳輸要求。在設(shè)計(jì)中 AD芯片采用AD公司的AD7657進(jìn)口芯片，此芯片可實(shí)現(xiàn)六通道±10 V、14 bit高精度數(shù)據(jù)同步采集，外圍電路的規(guī)模小，提高了AD轉(zhuǎn)換電路的可靠性，具有小型化的結(jié)構(gòu)[6]。為了兩個(gè)AD芯片實(shí)現(xiàn)同步采集，設(shè)計(jì)時(shí)使用CONVST端口短接。通過控制兩個(gè)芯片的片選CS端口，對(duì)采集信號(hào)分別傳出。

另外，傳感器需較高的采集精度，樣機(jī)研制時(shí)，發(fā)現(xiàn)AD內(nèi)置2.5 V電壓基準(zhǔn)精度較低，而電源基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)源是A/ D數(shù)?；旌闲盘?hào)集成電路必不可少的組合部分[7]，其性能好壞直接影響到整個(gè)電路功能的實(shí)現(xiàn)。為了提高采集精度，該模塊的AD芯片額外加2.5 V電壓基準(zhǔn)，該芯片使用ADR421芯片，其輸出精度能達(dá)到2.5 V±1 mV。數(shù)據(jù)采集各模塊電路圖如圖7所示，為描述方便圖中AD芯片模塊僅列出了位移采集的AD芯片，溫度信號(hào)AD采集芯片外圍電路與之相同。

2.4 信號(hào)傳輸電路

信號(hào)傳輸電路使用DS26C31、DS26C32芯片，芯片電路功能符合通用串行總線RS-422規(guī)范的差分線發(fā)射器、接收器功能。差分電路屬于一種平衡通信接口，傳輸數(shù)率高達(dá)10 Mb/s，在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

變換裝置主控制芯片為C8051F530A單片機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制時(shí)序和代碼精煉，本裝置采用匯編語言編程。

變換裝置軟件需實(shí)現(xiàn)8路信號(hào)的AD串行數(shù)據(jù)采集功能、4路信號(hào)的溫度線性補(bǔ)償功能并完成信號(hào)傳輸功能。主要包含兩部分：主程序、外部中斷服務(wù)程序。

軟件的主程序部分對(duì)所有I/O口進(jìn)行端口初始化并對(duì)寄存器進(jìn)行賦值。啟用單片機(jī)內(nèi)自帶24.5 MHz的內(nèi)部晶振。當(dāng)所有初始化就緒后，等待上位機(jī)發(fā)送上升沿觸發(fā)指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理并傳輸。

外部中斷程序?yàn)樾盘?hào)采集及傳輸?shù)闹匾糠郑瑪?shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)溫度補(bǔ)償子程序等。軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 軟件流程框圖

3.1 數(shù)據(jù)采集編程方法

數(shù)據(jù)采集程序按照AD芯片手冊串行讀取操作方法進(jìn)行匯編編程，因匯編語言嚴(yán)格的順序執(zhí)行能力，通過控制I/O口的電平控制來達(dá)到采集多路電壓信號(hào)的目的，采集過程可靠可行。采集時(shí)序控制表詳見相關(guān)芯片手冊。傳輸8個(gè)八位字節(jié)的編程代碼如下：

SETB CONVST ;啟動(dòng)轉(zhuǎn)換采集，

DENG: JB BUSY,DENG ;等待芯片轉(zhuǎn)換完成

SETB SCLK ;拉高時(shí)鐘端

CLR CS1 ;激活芯片1的片選

MOV R0,#20H ;以20H寄存器為初始存儲(chǔ)位置

MOV R2,#08H

WAIXUN: MOV R3,#08H ;一個(gè)字節(jié)的讀取

XUNHUAN1:SETB SCLK

NOP

CLR SCLK

NOP

MOV C,DOUT1

RLC A

DJNZ R3,XUNHUAN1

表1 角位移傳感器位移信號(hào)線性度測試數(shù)據(jù)表

MOV @R0,A ;采集的1個(gè)字節(jié)存入@R0寄存器內(nèi)

INC R0

DJNZ R2,WAIXUN ;完成8個(gè)字節(jié)的采集

3.2 溫度補(bǔ)償編程方法

因角位移傳感器在0 ℃～150 ℃范圍內(nèi)工作時(shí)，傳感器內(nèi)電阻膜受溫度影響較大，傳感器角位移誤差與溫度之間的關(guān)系如圖9所示。為了使得產(chǎn)品測試精度滿足高精度的使用要求，通過軟件對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行階梯補(bǔ)償，盡量減少溫度對(duì)采集信號(hào)帶來的影響。

圖9 傳感器角位移信號(hào)誤差與溫度的關(guān)系

因單片機(jī)處理計(jì)算能力有限，為了降低系統(tǒng)處理難度，對(duì)補(bǔ)償方法進(jìn)行簡化，具體補(bǔ)償方法為將0～150 ℃等分為15份，每一個(gè)溫度范圍按照傳感器電壓信號(hào)與溫度曲線關(guān)系表得出一個(gè)平均值誤差，形成一個(gè)15格階梯的誤差查詢表。當(dāng)變換裝置采集角位移信號(hào)和溫度信號(hào)后，通過查表的方式查找到該溫度信號(hào)對(duì)應(yīng)的采集誤差值。然后利用角位移信號(hào)和采集誤差值進(jìn)行相加，得出角位移信號(hào)電壓輸出值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

角位移傳感器變換裝置性能好壞的最重要的一個(gè)指標(biāo)是線性度，下面通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)變換裝置線性度指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析。

角位移信號(hào)輸出理論值和變換裝置輸出的數(shù)字信號(hào)的實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)見表1。

試驗(yàn)結(jié)果表明：按照絕對(duì)線性度的方法進(jìn)行計(jì)算，傳感器變換裝置采集精度分別為0.044%、0.033%、0.033%、0.033%。

角位移傳感器變換裝置的輸出誤差值在1～4 mV，誤差范圍非常小，通過對(duì)角位移信號(hào)線性度結(jié)果的分析，產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了多通道采集、數(shù)字化傳輸?shù)墓δ?，達(dá)到了預(yù)期的采集精度。

5 結(jié)論

本文介紹了一種多通道高精度數(shù)字化傳感器變換裝置軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了雙極性多通道采集，通過硬件補(bǔ)償和軟件溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了變換裝置的高精度采集需求，完成了RS-422數(shù)字化傳輸功能，提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明：產(chǎn)品采集精度能夠達(dá)到0.05%的需求，并穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)了多通道采集及數(shù)字化傳輸，對(duì)于高精度測量裝置及設(shè)備的研制具有重要的意義。

[1] 何 剛,高國偉,郝 嶸,等.提高傾角傳感器精度的算法研究與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器世界,2015,21(5):19-22.

[2] 鐘倫超,朵英賢,王建中.基于電位計(jì)式位移傳感器的無人機(jī)電傳操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(8):1163-1167.

[3] 祁樹勝.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

[4] 郭愛芳.傳感器原理及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

[5] 遠(yuǎn)坂俊昭.測量電子電路設(shè)計(jì)-濾波器篇[M].日本:科學(xué)出版社，2006.

[6] 廖 丹,楊建強(qiáng).AD7656在四頻差動(dòng)激光陀螺信號(hào)檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測量技術(shù),2009,32(12):102-109.

[7] 鐘 博,宋曉貞,段雙亮,等.基于電流模式的分段補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)源[J].微電子學(xué),2011,41(1):66-72.

Developing a Digital Sensor Transform Device with Multi-channel and High Precision

Liu Shuxuan, Ma Yajun, Wang Wei

(Beijing Research Institute of Precise Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing 100076,China)

Designed a novel sensor transform device for the existing sensor transform devices are susceptible to accidental error and tempreature drift or other factor which caused the acquisition accuracy is not high. This deviec has the characteristics of miniaturization, low cost and high performance. Using C8051F series MCU as the main control chip, in order to meet the requirements of 8 channel bipolar analog signal acquisition, moreover taking 2 pieces 14 bit 6 channel A/D chip of AD company for transform bipolar analog signal of the range of ±10 V. Adopting the front-end siginal amplification and following filter processing circuit with software of the microprocessor to linear compensation for the requirements of high precision transformation. Taking the RS-422 chip and assembly language complete the signal digital transmission, with adjustable power conversion chip and achived through high precision resistance regulator for precision power supply requirements of the angular can reach 0.05%, at the same time the digital signal transmission is stable which can be widely used in military and industrial production in the field of high precision measurement.

sensor transform device; multi-channel; high precision; digital transmission

2015-08-27；

2015-09-25。

劉書選(1987-)，男，山東臨清人，工程師，主要從事伺服電子測量方向的研究。

1671-4598(2016)06-0326-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.089

TP181

A