劉鵬媛，馬游春，何 巧

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，傳感器已經(jīng)在海洋探測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于傳感器所具有的頻率響應(yīng)、階躍響應(yīng)等動(dòng)態(tài)特性以及漂移、重復(fù)性、精確度、靈敏度、分辨率、線性度等靜態(tài)特性，當(dāng)外界的因素改變或動(dòng)蕩時(shí)，將會(huì)造成傳感器的自身特性出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，會(huì)給其實(shí)際應(yīng)用造成很大影響，導(dǎo)致測(cè)量的溫度信號(hào)和壓力信號(hào)出現(xiàn)極大的偏差，這就要求在實(shí)際測(cè)量中對(duì)這些不穩(wěn)定因素進(jìn)行補(bǔ)償[1]，以獲得滿足使用要求的信號(hào)。為了獲得高精度的海溫及壓力信號(hào)，設(shè)計(jì)了一款基于PGA302的海溫及壓力采集系統(tǒng)[2]。

1 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)由FPGA主控模塊、PGA302信號(hào)采集調(diào)理模塊、Flash存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊以及電源模塊構(gòu)成[3]。以AGLN250V2-CS81主控芯片為核心，傳感器信號(hào)通過信號(hào)調(diào)節(jié)器PGA302完成采集和補(bǔ)償調(diào)理工作，由FPGA控制將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅or Flash中實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)，當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，由串口與上位機(jī)通信，數(shù)據(jù)將在上位機(jī)中直觀顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.1 PGA302信號(hào)采集調(diào)理模塊

選取系統(tǒng)的信號(hào)采集調(diào)理模塊時(shí)，考慮到低功耗、高精度的設(shè)計(jì)要求。選用了TI公司的PGA302芯片。它是一種高精度、低漂移、低噪聲、低功率、多功能的信號(hào)調(diào)節(jié)器。它提供2.5 V的橋激勵(lì)電壓。信號(hào)數(shù)據(jù)通過I2C數(shù)字接口進(jìn)行訪問，I2C接口也可以用來配置其他功能塊。PGA302包含兩個(gè)分開的模擬前端(AFE)鏈，可以同時(shí)采集兩路傳感信號(hào)：一路壓力傳感輸入、另一路溫度傳感輸入，通過模擬前端鏈進(jìn)行放大和數(shù)字化，采集精度為16位，并進(jìn)行線性化和溫度補(bǔ)償[4]。每個(gè)AFE鏈都有它自己的增益放大器，范圍從1.33 V/V到200 V/V。PGA302提供電流源，該電流源可以為可選的外部溫度傳感提供高達(dá) 1 000 μA的電源。該電流源也可作為恒流橋激勵(lì)。而且在該芯片集成電路內(nèi)部具有內(nèi)部溫度傳感器，該內(nèi)部溫度傳感器可以被配置為溫度傳感器AFE鏈的輸入。它具有小的封裝尺寸，集成了用于電阻橋式傳感的應(yīng)用，以最小化PCB面積和簡(jiǎn)化整體應(yīng)用設(shè)計(jì)。它的外圍電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.2 存儲(chǔ)模塊

為解決現(xiàn)有的采集系統(tǒng)尺寸大、不易安裝的問題，該系統(tǒng)選用MICRON公司的NOR Flash[5]，型號(hào)為MT25QL128ABA，128MB存儲(chǔ)，它的尺寸相對(duì)較小，是一種高性能多輸入/輸出串行閃存設(shè)備。具有兩個(gè)額外的字節(jié)標(biāo)識(shí)設(shè)備工廠選項(xiàng)來定義擴(kuò)展設(shè)備ID,具有大容量的擦除功能、安全和寫保護(hù)功能，具有高速SPI兼容總線接口、就地執(zhí)行(XIP)功能、高級(jí)寫保護(hù)機(jī)制和擴(kuò)展地址訪問。高性能的雙和四輸入/輸出命令使得讀取和編程操作的傳輸帶寬拓寬兩倍或四倍。相對(duì)于NAND Flash的可靠性要高[6]。

圖2 PGA302外圍電路

1.3 時(shí)鐘模塊

為了滿足系統(tǒng)在海下長(zhǎng)時(shí)間工作的設(shè)計(jì)要求，降低功耗，采用RX8900CE作為時(shí)鐘模塊。它是一款低功耗芯片，功耗為0.70 μA/3 V，通過I2C總線接口通信，RX8900CE具備多種功能：① 報(bào)警功能；② 固定時(shí)間周期定時(shí)器功能；③ 時(shí)間更新中斷功能；④ 32.768 kHz輸出功能。報(bào)警中斷功能可以為指定日期、日、小時(shí)、分鐘設(shè)置報(bào)警。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中利用它的報(bào)警功能，通過寄存器的設(shè)置，使系統(tǒng)每天在指定的10 min時(shí)間內(nèi)完成采集，超出設(shè)定的時(shí)間后，時(shí)鐘模塊INT引腳產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)隨即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這樣可以滿足采集系統(tǒng)在水下工作1年的設(shè)計(jì)要求。電路原理如圖3所示。

圖3 RX8900電路原理

2 系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

PGA302通過I2C接口通信，I2C是一個(gè)串行通信接口，它通過一根數(shù)據(jù)線SDA,一根時(shí)鐘線SCL進(jìn)行通信。

2.1 PGA302數(shù)據(jù)寫入

PGA302采集模塊的數(shù)據(jù)寫入操作的程序流程圖如圖4所示。

圖4 PGA302數(shù)據(jù)寫入操作流程圖

操作的流程為：① 寫入從機(jī)地址&0；② 判斷是否產(chǎn)生ACK應(yīng)答信號(hào)，如果沒有產(chǎn)生則等待4個(gè)時(shí)鐘周期，等待超時(shí)則重新開始寫入；③ 寫入寄存器地址；④ 判斷是否產(chǎn)生ACK應(yīng)答信號(hào)，如果沒有產(chǎn)生則等待4個(gè)時(shí)鐘周期，等待超時(shí)則重新開始寫入；⑤ 寫入寄存器需要配置的參數(shù)值；⑥ 判斷是否產(chǎn)生ACK應(yīng)答信號(hào)，如果沒有產(chǎn)生則等待4個(gè)時(shí)鐘周期，等待超時(shí)則重新開始寫入。PGA302內(nèi)部數(shù)據(jù)寫入操作時(shí)序仿真如圖5所示，程序設(shè)計(jì)滿足預(yù)期要求。

圖5 PGA302數(shù)據(jù)寫入仿真時(shí)序圖

2.2 PGA302數(shù)據(jù)讀取

PGA302數(shù)據(jù)讀取操作的流程為：① 寫入從機(jī)地址&0；② 判斷是否產(chǎn)生ACK應(yīng)答信號(hào)，如果沒有產(chǎn)生則等待4個(gè)時(shí)鐘周期，等待超時(shí)則重新開始；③ 寫入寄存器地址；④ 判斷是否產(chǎn)生ACK應(yīng)答信號(hào)，如果沒有產(chǎn)生則等待4個(gè)時(shí)鐘周期，等待超時(shí)則重新開始；⑤ 重復(fù)開始操作；⑥ 寫入從機(jī)地址&1；⑦ 判斷是否產(chǎn)生ACK應(yīng)答信號(hào)，如果沒有產(chǎn)生則等待4個(gè)時(shí)鐘周期，等待超時(shí)則重新開始;⑧ 讀取寄存器中的數(shù)據(jù)。PGA302數(shù)據(jù)讀取操作時(shí)序仿真如圖6所示，程序設(shè)計(jì)滿足預(yù)期要求。

圖6 PGA302數(shù)據(jù)讀取仿真時(shí)序圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

在該系統(tǒng)的構(gòu)建中，需要解決兩個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)難題。第一是對(duì)系統(tǒng)功耗進(jìn)行控制，延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間，第二是能夠使經(jīng)過PGA302補(bǔ)償后的傳感器信號(hào)的精度在0.05%的量級(jí)。為了解決這兩個(gè)方面的問題，提出了一種低功耗的方案及用到了PGA302內(nèi)部集成的溫度補(bǔ)償和非線性校準(zhǔn)功能[7]。

3.1 系統(tǒng)低功耗方案設(shè)計(jì)

3.1.1低功耗硬件設(shè)計(jì)

為了達(dá)到低功耗的要求，首先是芯片的選型，盡可能地選擇使用低功耗芯片，其次在程序設(shè)計(jì)中盡可能地做到高效簡(jiǎn)潔重復(fù)可利用，這樣可以減少不必要的電量損耗。選用IGLOO系列的FPGA，型號(hào)為AGLN250V2-CS81，F(xiàn)PGA按照工藝來分，可以分為SRAM架構(gòu)和Flash架構(gòu)，SRAM架構(gòu)的FPGA因?yàn)榈綦姇r(shí)無法保存數(shù)據(jù)，所以需要增加一個(gè)昂貴的配置芯片，同時(shí)產(chǎn)生的功耗也較大而該Flash構(gòu)架的FPGA擁有單芯片、非易失性、上電即行、小尺寸等優(yōu)點(diǎn)。本型號(hào)僅有55 mm大小，可以很大地節(jié)省PCB的空間，另外它具有獨(dú)特的Flash*Freeze技術(shù)，允許用戶在1μs內(nèi)切換到睡眠模式，從而簡(jiǎn)化低功耗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。Flash*Freeze(FF)引腳(低激活)是用于直接進(jìn)入或退出flash*Freeze凍結(jié)模式的專用引腳，時(shí)序圖如圖7，在晶振的選擇中，不同于以往的芯片選型，選擇帶有使能管腳的晶振，使能腳由FPGA控制，在FF管腳拉低時(shí)，使能端置低，晶振進(jìn)入高阻狀態(tài)，停止輸出時(shí)鐘。

圖7 Flash*Freeze工作時(shí)序圖

3.1.2低功耗邏輯研究設(shè)計(jì)

當(dāng)PR引腳接收到/INT低電平信號(hào)，D觸發(fā)器Q輸出為低電平信號(hào)PWEN，連接FPGA的FF管腳，F(xiàn)PGA進(jìn)入Flash*Freeze睡眠狀態(tài)，控制FPGA的輸出管腳APON、PRWEN為低電平，APON為電源轉(zhuǎn)換芯片的使能控制端，當(dāng)為低電平時(shí)變?yōu)楦咦钁B(tài)，停止工作，信號(hào)采集調(diào)理器PGA302的電源管腳停止供電，當(dāng)PRWEN為低電平時(shí)，時(shí)鐘模塊SG-210SCB停止輸出8M時(shí)鐘，保證系統(tǒng)在睡眠模式下盡可能地控制電源損耗。如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)睡眠模式設(shè)計(jì)圖

3.2 傳感信號(hào)高精度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

PGA302采用三階溫度系數(shù)和壓力輸入的非線性校準(zhǔn)的方式[8]。實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償和非線性校準(zhǔn)算法，主要是建立線性和溫度補(bǔ)償系數(shù)表，在上位機(jī)軟件中，選擇校準(zhǔn)模式為3壓力、1溫度，在頁(yè)的底部點(diǎn)擊開始按鈕，將會(huì)依次更新壓力所需的輸出電壓和DAC編碼，利用電阻橋來模擬壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)過程[9]，通過電阻橋設(shè)置窗口將電阻橋電阻設(shè)置為期望值。在實(shí)驗(yàn)中，使用5.085 0 K作為壓力1的值，點(diǎn)擊next，陣列將會(huì)自動(dòng)由ADC讀取的值填充，同理用 5.080 6 K、5.071 3 K作為壓力2、3的值，完成壓力的讀?。狐c(diǎn)擊繼續(xù)，溫度陣列將由PGA302的內(nèi)部溫度傳感器讀取的ADC值自動(dòng)更新，點(diǎn)擊校準(zhǔn)，這將使用校準(zhǔn)過程生成的數(shù)據(jù)來計(jì)算線性和溫度補(bǔ)償系數(shù)值[10]，結(jié)果如表1所示。把獲得的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)軟件寫入PGA302內(nèi)置的EEPROM存儲(chǔ)器中，從而完成對(duì)壓力傳感器的校準(zhǔn)。

表1 線性和溫度補(bǔ)償系數(shù)表

得到相應(yīng)的線性和補(bǔ)償系數(shù)之后由式(1)、式(2)、式(3)可得到經(jīng)過補(bǔ)償之后的信號(hào)[11]，其中a0、b0分別為PADC的數(shù)字增益和數(shù)字偏置，a1、b1分別為TADC的數(shù)字增益和數(shù)字偏置。

P=a0(PADC+b0)

(1)

T=a1(TADC+b1)

(2)

OUTPUT=(h0+h1×T+h2×T2+h3×T3)

+(g0+g1×T+g2×T2+g3×T3)×P+

(n0+n1×T+n2×T2+n3×T3)×P2+

(m0+m1×T+m2×T2+m3×T3)×P3

(3)

4 系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 功耗測(cè)試

時(shí)鐘模塊RX8900完成定時(shí)器的計(jì)時(shí)工作，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)處于采集狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的時(shí)間值后，RX8900會(huì)輸出一個(gè)低電平信號(hào)，控制D觸發(fā)器輸出低電平信號(hào)，該信號(hào)連至FPGA的FF管腳，使FPGA進(jìn)入凍結(jié)狀態(tài)，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式，由此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行睡眠和采集模式的切換，在兩種不同的模式下測(cè)量系統(tǒng)的電流，結(jié)果如圖9所示，可以得到系統(tǒng)在睡眠模式時(shí)的電流約為0.212 3 mA，在采集模式下的電流為5.576 5 mA，達(dá)到降低功耗的設(shè)計(jì)要求。

4.2 精度測(cè)試

4.2.1壓力結(jié)果測(cè)試

在20 ℃、45 ℃、60 ℃ 3個(gè)溫度條件下，分別測(cè)量0 kPa、3.6 kPa、7 kPa 3個(gè)壓強(qiáng)值的輸出電壓，計(jì)算其補(bǔ)償前后的誤差值，如表2所示，可以看到壓力信號(hào)得到了有效地補(bǔ)償并且采集精度在0.03%以下。

圖9 兩種不同模式下測(cè)量電流

表2 補(bǔ)償前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2.2溫度結(jié)果測(cè)試

選取4個(gè)不同的溫度條件，使用外置的PT100溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試，通過上位機(jī)得到不同溫度環(huán)境下的數(shù)字信號(hào)，由PT100溫度傳感器的特性可得到其測(cè)得的實(shí)際溫度值如表3所示，可以看到采集的精度量級(jí)在0.05%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 溫度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)在海洋探測(cè)中壓力傳感信號(hào)和溫度傳感信號(hào)的有效采集，對(duì)采集過程中信號(hào)出現(xiàn)的溫度漂移等現(xiàn)象進(jìn)行有效調(diào)理，得到準(zhǔn)確的信號(hào)。不同于傳統(tǒng)的硬件補(bǔ)償方式，采用TI公司的PGA302作為信號(hào)調(diào)理單元，利用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ玫礁呔鹊牟杉盘?hào)，在系統(tǒng)的構(gòu)建中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗的設(shè)計(jì)，能夠使采集系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間地海底作業(yè)，解決了普通的潮位儀電量損耗大的問題[12]。