張 斌,欒紅民,李玉霞,吳慶林,王 晶,曲云昭

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 101400)

位移傳感器數(shù)據(jù)高精度采集電路設(shè)計(jì)*

張 斌1*,欒紅民1,2,李玉霞1,吳慶林1,王 晶1,2,曲云昭1,2

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 101400)

對位移傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度采集是實(shí)現(xiàn)大型望遠(yuǎn)鏡主鏡位置監(jiān)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。詳細(xì)分析了位移傳感器數(shù)據(jù)采集電路的輸入需求并依此設(shè)計(jì)硬件電路。將位移傳感器信號經(jīng)過縮放、濾波等調(diào)理后輸入至ADC芯片ADS1259完成A/D轉(zhuǎn)換;使用DSP芯片TMS320F28069讀取ADS1259輸出的數(shù)字信號,解碼后發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行處理與顯示。同時設(shè)計(jì)了CAN總線接口,用來實(shí)現(xiàn)分布式采集電路組建局域網(wǎng)。經(jīng)過測試,采集電路的有效分辨率可達(dá)到17 bit,位移采集誤差小于2 μm,相對誤差小于0.01%,能夠?qū)崿F(xiàn)對位移傳感器信號的高精度采集,為望遠(yuǎn)鏡主鏡監(jiān)控提供保證和依據(jù)。

位移傳感器;數(shù)據(jù)采集;信號調(diào)理;CAN;望遠(yuǎn)鏡

望遠(yuǎn)鏡是進(jìn)行深空觀測與天文研究的最重要的、最基本的工具,其口徑越大,集光能力越強(qiáng),分辨能力越高[1]。在大型望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中,主鏡是整個主光學(xué)系統(tǒng)的基準(zhǔn)[2],主鏡與鏡室的位置關(guān)系穩(wěn)定是保證光學(xué)成像質(zhì)量的前提,所以需要對主鏡的位置進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。主鏡位置通過X、Y、Z、θX、θY、ΔR共6個自由度描述,這 6個自由度的獲得需要通過安裝在主鏡底部與側(cè)部的6個位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算得出[3],圖1為位移傳感器布局示意圖。因此對位移傳感器的數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)主鏡位置監(jiān)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與前提,其準(zhǔn)確與否直接影響解算出的主鏡位置的準(zhǔn)確性,進(jìn)而影響對主鏡位置的監(jiān)控,影響大望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量。

圖1 位移傳感器布局示意圖

針對大型望遠(yuǎn)鏡主鏡位置監(jiān)控的需求,設(shè)計(jì)位移傳感器數(shù)據(jù)的高精度采集電路。位移傳感器采用NovoTechnic公司的F205-1g型位移傳感器,其線性量程為-2.5 mm～+2.5 mm,靈敏度為4.5 V/mm,輸出差分電壓信號,幅值在-11.25 V～+11.25 V之間;根據(jù)望遠(yuǎn)鏡主鏡相對鏡室發(fā)生位移的特點(diǎn),位移傳感器輸出的信號能量主要在幾百赫茲以下,屬于低頻信號,但是受到的干擾特別強(qiáng),如主鏡支撐結(jié)構(gòu)的震動所造成的干擾、工頻干擾以及信號接地不良所引起的干擾等[4]。所以,設(shè)計(jì)位移傳感器數(shù)據(jù)采集電路主要實(shí)現(xiàn)以下功能:對信號進(jìn)行縮放與濾波,將其從噪聲中提取出來并滿足ADC輸入的幅值要求;然后輸入至ADC芯片完成A/D轉(zhuǎn)換過程;此外采用DSP處理器對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行讀取與處理。

1 總體設(shè)計(jì)

因?yàn)橐獙χ麋R上6個位置的位移信息進(jìn)行采集,所以采集電路的設(shè)計(jì)有兩種方案:其一,設(shè)計(jì)多通道數(shù)據(jù)采集電路,然后通過長導(dǎo)線連接至位移傳感器;其二,設(shè)計(jì)單通道的數(shù)據(jù)采集電路,分別與每個位移傳感器就近連接,然后利用總線技術(shù)將分布式采集電路組網(wǎng)。方案一使用一套PCB板即可,但是位移傳感器與采集電路之間的長導(dǎo)線受外界影響會引入噪聲,影響測量結(jié)果[5];此外位移傳感器輸出電壓信號,經(jīng)過長距離傳輸產(chǎn)生的衰減也會造成測量誤差。方案二需要使用6套采集電路,成本較高,但是位移傳感器與采集電路之間的連線短,布線簡單,而且引入的噪聲較方案一大幅度降低,測量結(jié)果更為精確。綜上,采用第2種方案進(jìn)行設(shè)計(jì),即設(shè)計(jì)單通道的位移傳感器數(shù)據(jù)采集電路,然后利用總線技術(shù)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)主鏡6個自由度位移信息的測量。

有多種總線可實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)組建,本文主要分析3種總線技術(shù):以太網(wǎng)、RS485以及CAN總線。以太網(wǎng)支持TCP/IP的一系列協(xié)議,其中的TCP協(xié)議設(shè)計(jì)成熟,使用廣泛,可以10 Mbit/s的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,并且能夠糾錯檢錯保證可靠性。但是TCP協(xié)議傳輸?shù)拿織l信息都需要附加至少70 byte的幀頭[6],而在本文所設(shè)計(jì)的采集電路中,大部分信息都在4 byte～8 byte之間,使用TCP協(xié)議組網(wǎng)的效率會非常低下。RS485總線采用差分格式傳輸信息,通信距離長,支持多點(diǎn)通信。但是RS485總線沒有標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議與糾錯檢錯機(jī)制,需要自定義,可靠性不高;而且由于RS485采用主機(jī)輪詢、下位機(jī)應(yīng)答的機(jī)制解決數(shù)據(jù)沖突的問題,實(shí)時性不高,效率較低[7-8]。CAN總線又稱局域控制網(wǎng),節(jié)點(diǎn)不分主從,采用優(yōu)先級方式仲裁總線,自帶校驗(yàn)檢錯功能,一般使用雙絞線進(jìn)行傳輸,布線簡單而且可靠性高,其最高速率可達(dá)1M/s,實(shí)時性比較高[5,9]。綜合考慮,本文選取CAN接口進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)。

對于位移傳感器輸出的差分信號,有兩種方式對其進(jìn)行濾波:(1)對差分信號線上的兩路信號分別濾波;這種方式簡單易行,但是要求兩路信號上的濾波環(huán)節(jié)中的各元件參數(shù)嚴(yán)格匹配,否則會使差分線上的兩路信號產(chǎn)生相位以及幅值上的偏差,從而產(chǎn)生測量誤差。(2)將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號,然后濾波;該方法雖然額外加入了差分轉(zhuǎn)單端的環(huán)節(jié),但是能夠較好的實(shí)現(xiàn)信號的濾波,并且不會引入方式1中產(chǎn)生的測量誤差。本文采用第2種方式進(jìn)行濾波。

綜上所述,設(shè)計(jì)位移傳感器采集電路原理框圖如圖2所示?；舅枷胧钦{(diào)理電路部分使用儀表放大器接收位移傳感器信號,實(shí)現(xiàn)差分至單端的轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換后的單端信號經(jīng)過低通濾波器后由差分放大器轉(zhuǎn)換為差分信號輸入至ADC芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;使用DSP芯片F(xiàn)28069作為處理器接收ADC輸出的數(shù)字信號,解析后通過RS422接口發(fā)送給PC機(jī);設(shè)計(jì)CAN總線接口用來實(shí)現(xiàn)分布式采集電路的組網(wǎng)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路

信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路由前置電路、濾波電路、ADC轉(zhuǎn)換電路以及ADC參考電源電路構(gòu)成,具體如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路原理圖

根據(jù)佛里斯公式可知,前置電路的噪聲系數(shù)對系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)影響最大,故要求前置電路必須噪聲小、增益穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)[10]。采用低噪聲儀表放大器AD8221接收位移傳感器輸出的差分信號,實(shí)現(xiàn)差分至單端的轉(zhuǎn)換。RG端開路,設(shè)置為單位增益,可使其具有80 dB以上的共模抑制能力,能夠抑制傳感器與電路之間長導(dǎo)線拾取的共模噪聲。電路前端采用阻容式射頻濾波器,抑制射頻噪聲,防止其破壞測量結(jié)果,同時也在測量帶寬內(nèi)維持了較高的輸入阻抗,避免增加信號源的負(fù)載。將差分信號轉(zhuǎn)換成單端信號后,為了滿足ADC的量程,使用ADA4004設(shè)計(jì)反相放大器,增益為0.2,使信號縮放至ADC的輸入幅值要求范圍內(nèi)。

為了限制噪聲帶寬并避免混疊,設(shè)計(jì)低通濾波電路將信號從噪聲中提取出來。因?yàn)锽utterworth 濾波器通帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)曲線非常平坦,能保證采集器精度,所以本文設(shè)計(jì)Butterworth低通濾波器實(shí)現(xiàn)濾波功能。理論上說,低通濾波電路階數(shù)越高,濾波的效果越好。但是考慮到階數(shù)增高帶來的設(shè)計(jì)與調(diào)試問題,本文選擇二階低通濾波。圖3中所示為2極點(diǎn)單位增益Sallen-Key濾波器[11],相關(guān)公式如下:

(1)

(2)

(3)

經(jīng)過計(jì)算,可得到該濾波器的截止頻率大約為1 kHz,Q值為0.71。該濾波器僅允許目標(biāo)頻率通過,從而防止ADC對混疊頻率進(jìn)行采樣;同時,在單位增益的Sallen-Key濾波器中,運(yùn)算放大器被用作單位增益緩沖器,使其具有高增益精度,提高信號采集質(zhì)量。

ADC芯片是采集電路的核心器件,其性能將對系統(tǒng)精度產(chǎn)生重大的影響。選用24位ADC芯片ADS1259進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;ADS1259具有高達(dá)14 ksample/s的可配置采樣速率,內(nèi)部集成了Δ-Σ調(diào)制器,具有出色的噪聲抑制性能和線性特性[12]。ADC采用全差分輸入設(shè)計(jì),不僅具備良好的共模噪聲抑制特性,同時也可以將二次失真改變?yōu)楣材Ｔ肼曔M(jìn)行抑制;使用差分放大器AD8476作為驅(qū)動芯片將單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號輸入至ADC。ADC的參考輸入采用ADR431基準(zhǔn)電壓芯片提供,相對于ADC芯片的片上基準(zhǔn),ADR431具有更小的噪聲,更高的精度和穩(wěn)定性;因?yàn)锳DS1259參考輸入端內(nèi)部沒有緩沖器,所以外接運(yùn)放OPA227提高參考電壓的驅(qū)動能力。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過SPI接口輸出。

2.2 DSP處理電路

選擇C2000系列DSP芯片F(xiàn)28069作為處理器,實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的讀取與解析以及與PC機(jī)通信和組網(wǎng)等功能,電路框圖如圖4所示。

圖4 DSP處理電路結(jié)構(gòu)圖

DSP通過SPI總線和ADS1259通信,對其進(jìn)行功能配置以及數(shù)據(jù)讀取;通過RS422總線與PC機(jī)通信;通過I2C總線與片外存儲器24C512通信,對關(guān)鍵配置數(shù)據(jù)與位移數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲;利用CAN總線實(shí)現(xiàn)分布式采集電路組網(wǎng),各CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時報(bào)文的優(yōu)先級通過讀取撥碼開關(guān)進(jìn)行配置,同時,利用報(bào)文的優(yōu)先級來表征各CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的地址編號。

A/D采集是一個非常復(fù)雜的問題,要有效去除干擾,除了合理的原理圖設(shè)計(jì),也要考慮硬件電路的布局布線,例如去耦電容盡量靠近電源引腳、模擬地與數(shù)字地分割等[13]。

3 DSP軟件設(shè)計(jì)

DSP軟件通過搭建前后臺系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)采集與通信功能,流程如圖5所示。

圖5 DSP軟件流程圖

初始化過程包括外設(shè)接口初始化以及ADS1259初始化;其中,CAN接口的ID設(shè)置需要讀取撥碼開關(guān)確定,CAN接口配置完成后,進(jìn)行自檢測,判斷本節(jié)點(diǎn)是否正常;ADS1259初始化包括工作條件設(shè)置、工作模式設(shè)置以及偏置校正與增益校正設(shè)置,配置完畢后,從ADC芯片讀回配置數(shù)據(jù),判斷是否正確寫入,并將配置數(shù)據(jù)通過I2C接口發(fā)送至24C512供主控制器查詢。

ADS1259在每次數(shù)據(jù)采集完成后,向DSP發(fā)送外部中斷信號,DSP在外部中斷中通過SPI接口讀取采集數(shù)據(jù),并校驗(yàn)與解析,若校驗(yàn)正確,將數(shù)據(jù)通過SCI接口發(fā)送至PC機(jī)進(jìn)行顯示。解析過程依據(jù)表1所示的數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)。

表1 傳感器數(shù)據(jù)格式

CAN網(wǎng)絡(luò)通信以廣播的形式進(jìn)行,各節(jié)點(diǎn)收到報(bào)文后,組織數(shù)據(jù)包發(fā)送;數(shù)據(jù)包分為位移傳感器數(shù)據(jù)以及節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)兩種,根據(jù)解析后的報(bào)文選擇發(fā)送給主控制器;若CAN接口出現(xiàn)通信故障,在CAN錯誤中斷中重新進(jìn)行初始化,復(fù)位CAN控制器,使錯誤節(jié)點(diǎn)盡快恢復(fù)總線通信。

此外,軟件設(shè)計(jì)中配置一個定時器,用來監(jiān)測各外設(shè)接口的狀態(tài)寄存器,若檢查到有錯誤發(fā)生,則重新初始化該接口。

4 測量結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,包括CAN接口測試與采集性能測試。CAN接口測試通過使用周立功公司的USBCAN適配器與PC機(jī)通信進(jìn)行;測試中CAN接口通信正常,能夠?qū)崿F(xiàn)組網(wǎng)功能。采集性能是測試的核心部分,主要從兩個角度進(jìn)行考察:精密性以及正確性,其中,精密性表明測量結(jié)果的分散程度即測量中隨機(jī)誤差的大小,正確性表明測量結(jié)果偏離真值大小的程度即測量中系統(tǒng)誤差的大小[14]。

因無法精確獲得位移傳感器伸縮的位移量,所以測試時將位移傳感器固定后,使用FLUKE公司的數(shù)字精密臺式萬用表采集其輸出電壓作為采集電路的參考;該萬用表型號為8846A,測量精度為0.002 4%。

4.1 測量結(jié)果

將位移傳感器伸縮至不同位移量,固定好后使用8846A型臺式萬用表測量,其值作為位移傳感器實(shí)際輸出電壓值;使用采集電路采集1 000次求平均后作為測量值。測量數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 測量曲線

序號萬用表/V采集電路/V偏差/V相對誤差1-8．24698-8．25513 0．008150．0098%2-7．35401-7．34968-0．004330．0058%3-4．71861-4．71406-0．004550．0096%43．548653．546530．002120．0059%54．743624．74833-0．004710．0099%67．740597．733240．007350．0095%

由表2可以看出,采集電路測量值與萬用表測量值的偏差小于10 mV,折算成位移誤差小于2 μm,相對誤差小于0.01%。圖6分別是測量值為7.733 24 V與-4.714 06 V時的測量曲線,采集頻率為100 Hz,采集時間為10 s?？梢钥闯?數(shù)據(jù)波動小于0.2 mV,即采集電路可達(dá)到17 bit的穩(wěn)定分辨率。綜上,采集電路具有良好的精密性與正確性,可以滿足大型望遠(yuǎn)鏡主鏡位置監(jiān)控的需求。

為了測試采集電路本身所帶來的噪聲,將位移傳感器差分信號輸入接口短接,測量結(jié)果如圖7所示。可見,采集電路內(nèi)部噪聲小于30 μV。

圖7 采集電路內(nèi)部噪聲曲線

4.2 誤差來源分析

在實(shí)驗(yàn)測試中發(fā)現(xiàn),主要有以下因素會造成采集誤差:

(1)溫度因素 所使用的位移傳感器的溫度漂移特性為0.45 mV/℃,該因素對長時間測量時引起的誤差較為明顯,所以測量結(jié)果需要在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行溫度校正;

(2)測試時人員走動等因素造成測試平臺的振動也會引起一定的誤差。

(3)此外,經(jīng)過分析,位移傳感器本身特性,例如靈敏度、線性度等也會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響;其中傳感器的靈敏度系數(shù)的重復(fù)性對測量誤差的影響較為明顯,呈線性趨勢,應(yīng)在使用時對位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

需要說明的是,本文中的測試過程產(chǎn)生的誤差不包含機(jī)械因素引起的誤差,如位移傳感器的安裝誤差以及調(diào)零誤差、望遠(yuǎn)鏡主鏡支撐結(jié)構(gòu)的裝調(diào)誤差等。而這些因素在本電路使用時是必須要考慮的,應(yīng)保證每個環(huán)節(jié)的安裝誤差小于測量誤差要求的10%。

5 總結(jié)

針對大型望遠(yuǎn)鏡主鏡位置監(jiān)控的需求,設(shè)計(jì)位移

傳感器數(shù)據(jù)采集電路。經(jīng)過分析,采取利用CAN總線將分布式采集電路組網(wǎng)的方案實(shí)現(xiàn)主鏡6個自由度位置信息的測量。采集電路將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號,經(jīng)過縮放與濾波后再轉(zhuǎn)換為差分信號輸入至ADS1259實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換;采用TMS320F28069實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的讀取與解析,以及相關(guān)接口通信。測試結(jié)果表明,本電路的有效分辨率達(dá)到17bit,位移采集誤差小于2 μm,相對誤差小于0.01%,可以應(yīng)用于大型望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中,為主鏡位置監(jiān)控提供依據(jù)和保證。

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DesignofHighPrecisionDataAcquisitionCircuitofDisplacementSensor*

ZHANGBin1*,LUANHongmin1,2,LIYuxia1,WUQinglin1,WANGJing1,2,QUYunzhao1,2

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.University of Science Academy of Sciences,Beijing 101400,China)

High precision acquisition of displacement transducer data is the key link to realize the position monitoring and controlling of the primary mirror of large telescope. Input requirements of the acquisition circuit,according to which hardwares are designed,are analyzed in detail. The displacement transducer signal is conditioned by scaling and filtering,then inputs to the ADC chip ADS1259 to realize A/D conversion. DSP chip TMS320F28069 is used to read the digital data output by ADS1259,and to sent them to PC for processing and display after decoding. Meanwhile,the CAN bus interface is designed to establish the LAN between distributed acquisition circuit. After testing,the effective resolution can reach 17 bit,and acquisition displacement error less than 2 μm,the relative error is less than 0.01%,the acquisition circuit could collect the displacement transducer signal with high precision,and provides the guarantee and foundation for the telescope primary mirror monitoring and controlling.

displacement transducer;data acquisition;signal condition;CAN;telescope

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.029

項(xiàng)目來源:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所重大創(chuàng)新項(xiàng)目專項(xiàng)基金項(xiàng)目(Y3C122E130)

2016-07-17修改日期2016-09-06

TN710

A

1005-9490(2017)05-1204-05

張斌(1981-),男,通信作者,漢族,吉林省長春市人,副研究員,碩士研究生導(dǎo)師,博士,主要研究方向?yàn)楣怆娡h(yuǎn)鏡伺服控制技術(shù)、主動光學(xué)控制系統(tǒng),13844908289@163.com;

欒紅民(1987-),男,漢族,吉林省洮南市人,長春光機(jī)所碩士研究生,主要從事電子學(xué)設(shè)計(jì)及精密跟蹤控制方向的研究,luanhongmin2016@163.com。