賈文濤 蔡錦達(dá) 羅小洪

摘要：工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展對溫度采集提出了更高的要求。本文基于ARM設(shè)計(jì)了一種的數(shù)字式溫度采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了高動(dòng)態(tài)范圍、高信噪比、高帶寬和可程控放大的信號調(diào)理電路，以ARM為核心，設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件模塊。最后對系統(tǒng)進(jìn)行了測試驗(yàn)證，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)精度在+/-0.2 ?C以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：ARM;溫度采集;數(shù)字式

1 引言

本文基于ARM設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的數(shù)字式溫度采集系統(tǒng)，來獲取高精度的采集數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)分析更有意義。同時(shí)由于測量的數(shù)據(jù)是來自多種不同類型的傳感器，本文采用多通道的數(shù)據(jù)采集模塊對這些傳感器輸出的模擬數(shù)據(jù)量進(jìn)行采集，使得數(shù)據(jù)結(jié)果更加精確，穩(wěn)定可靠。

2 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.1.1電流轉(zhuǎn)電壓信號電路設(shè)計(jì)

本文使用采樣電阻轉(zhuǎn)換法。將石英傳感器輸出的電流信號流過采樣電阻之后，可得到與電阻值成正比的電壓信號，故采樣電阻的性能將會直接影響到采樣結(jié)果的穩(wěn)定性與精度。本設(shè)計(jì)要達(dá)到高精度采樣的目標(biāo)，在電路設(shè)計(jì)中需盡量減少噪聲的引入。噪聲系數(shù)是衡量不同材質(zhì)的電阻噪聲的大小，一般繞線采樣電阻和金屬箔的噪聲系數(shù)比碳膜等材質(zhì)采樣電阻的噪聲系數(shù)要相對較小。

2.1.2程控放大電路設(shè)計(jì)

在測量時(shí)有些信號不能完全符合數(shù)據(jù)采集模塊的采樣范圍，為使測試信號結(jié)果能達(dá)到指標(biāo)所要求的精度，需對輸入的模擬信號進(jìn)行一定范圍的放大或衰減，使得該模擬電壓能滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入的電壓范圍[4]。在信號采集時(shí)，后級 ADC 具有一定的噪聲誤差，將輸入信號調(diào)理到接近滿刻度測量時(shí)，才能將該誤差降到最低。

2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)方案

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的核心是 ADC（Analog to Digital Converter）電路設(shè)計(jì)。該部分設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到采集模塊的精度能否達(dá)到指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的核心器件為 ADC 芯片，ADC 選型的將直接影響數(shù)據(jù)采集模塊性能。本課題使用的是Σ-Δ型 ADC，為能更好的理解該采樣技術(shù)來設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。

通過高階調(diào)制器對噪聲頻譜進(jìn)行調(diào)整之后，降低信號頻段中的量化噪聲，將大部分的噪聲移到目標(biāo)頻段之外。若采用更多積分與求和環(huán)節(jié)，則可提供更高階數(shù)的量化噪聲成形。

ADC 的信噪比 SNR（Singnal to Noise Ratio）是輸入模擬信號和噪聲的功率比，計(jì)算公式如（1）所示[5]：

（1）

式中，PSignal為信號功率，PNoise為噪聲功率。當(dāng)兩者經(jīng)過的電阻相同時(shí)，上式等同于：

（2）

式中，USignal是信號電壓，UNoise是噪聲電壓。從理論上看 ADC 的 SNR 是取決于其采樣分辨位數(shù)的，理想上的N位 ADC 的理論信噪比計(jì)算如下[6]：

（3）

在實(shí)際采樣中，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片有量化噪聲以及其他的失真情況的存在，在計(jì)算 ADC的實(shí)際信噪比的時(shí)候，理想的N位將被實(shí)際所達(dá)到的位數(shù)所代替。根據(jù)本課題的指標(biāo)要求，計(jì)算出本次 ADC 的理想有效位 15 位，計(jì)算的實(shí)際信噪比是不能低于 93.26dB。

3 數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)

3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在ARM中通過判斷數(shù)據(jù)標(biāo)頭位來檢測讀到的數(shù)據(jù)是否有效，若為無效數(shù)據(jù)則發(fā)送數(shù)據(jù)錯(cuò)誤應(yīng)答幀，上位機(jī)在接收到應(yīng)答幀后分情況進(jìn)行處理。若是有效數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)存儲到RAM中，等RAM中數(shù)據(jù)存滿再發(fā)送到上位機(jī)中。

根據(jù)上述程控放大電路設(shè)計(jì)，可知增益倍數(shù)的選擇是在 STC15 芯片上完成的，在電路連接上是將八組差分通道分為四組來進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)對采樣通道增益倍數(shù)控制程序時(shí)，可通過上位機(jī)發(fā)送初始化命令的形式來完成該部分的設(shè)置。命令格式設(shè)置如下表[7]：

在程控放大控制命令協(xié)議幀中命令字長為 5，第一個(gè)命令字來表示對程控放大器的初始化，其后跟著的四個(gè)命令字分別為對四組程控放大器的增益倍數(shù)。在程序中先對控制項(xiàng)命令進(jìn)行解析，以判斷控制命令為設(shè)置程控放大倍數(shù)。然后分別對另外四個(gè)命令字進(jìn)行解析，先判斷放大倍數(shù)是否有效，若有效則分別進(jìn)行放大倍數(shù)的設(shè)置;若命令字無效，則發(fā)送命令錯(cuò)誤應(yīng)答幀。

3.2溫濕度傳感器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

本模塊要實(shí)現(xiàn)采集外部工作環(huán)境的溫度信息，是通過驅(qū)動(dòng)溫濕度芯片HDC1080 實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換，并讀取相關(guān)數(shù)值。該溫度值可用來反映當(dāng)前工作狀態(tài)，也可在下一步工作中用于對整個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行溫度補(bǔ)償提供溫度值，以實(shí)現(xiàn)溫漂校正，提高數(shù)據(jù)采集模塊的采集性能。HDC1080 傳感器通過兩線制的 I2C 通信接口與控制芯片進(jìn)行信號傳輸，并通過C8051F350實(shí)現(xiàn)對該傳感器的控制與數(shù)據(jù)讀取。在本課題中HDC1080為從設(shè)備，C8051F350 為主設(shè)備。I2C 總線通過數(shù)據(jù)線（SDA）和時(shí)鐘線（SCK）兩根線實(shí)現(xiàn)雙向傳輸數(shù)據(jù)，該傳感器的 I2C

通信地址是七位為 1000000。HDC1080 為低功耗的溫濕度傳感器，上電后不能主動(dòng)進(jìn)行測量，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)需發(fā)送相關(guān)指令來觸發(fā)測量[8]。觸發(fā)測量后，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存放在相應(yīng)寄存器中，通過主設(shè)備發(fā)送讀指令來讀取相應(yīng)寄存器中的轉(zhuǎn)換值。

系統(tǒng)在上電后，先進(jìn)行一個(gè)自檢過程，確保該部分功能工作正常。通過讀取設(shè)備 ID來檢查 I2C 通信是否正常，若通信錯(cuò)誤，則串口發(fā)送特定格式的數(shù)據(jù)幀表示 I2C 通訊錯(cuò)誤。若通信正常，則配置 HDC1080 的工作模式。本課題選用的工作模式為按照溫度在前濕度在后的原則依次采集，選擇最高分辨率14 位。在配置結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。在通過串口接收到溫度測量命令后，發(fā)送相關(guān)指令觸發(fā) HDC1080 進(jìn)入測量溫濕度工作狀態(tài)。HDC1080 在 14 位分辨率下溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間為 6.5ms，濕度轉(zhuǎn)換時(shí)間為 6.35ms，測量一次所需要的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 12.85ms，本設(shè)計(jì)在觸發(fā)測量后延時(shí) 15ms 再讀取相關(guān)數(shù)值。讀取的數(shù)據(jù)為十六進(jìn)制的數(shù)，需要通過對數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)為溫度值。轉(zhuǎn)換公式如下：

（4）

其中Thcx為溫度寄存器中讀取到的十六進(jìn)制的值。

4數(shù)據(jù)采集模塊調(diào)試與驗(yàn)證

4.1功能模塊調(diào)試

4.1.1電源模塊調(diào)試

對數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行調(diào)試時(shí)，先調(diào)試電源模塊。電源是模塊能正常工作的首要條件，電源的正常穩(wěn)定工作在一定程度上決定了整個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊性能的穩(wěn)定性。本文的電源是通過外部接入±9V 電壓值，經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊之后得到其他所需的電壓值，轉(zhuǎn)換之后的電壓值測試結(jié)果如表2 所示。

在本設(shè)計(jì)中，C8051F350的供電范圍為 3.0V±0.6V，STM32 的供電范圍為 2.0V～3.6V，參考電壓 ADR4540的供電要求大于 4.396V。對比上表電源電壓測量結(jié)果分析，供電電壓誤差在芯片的供電電壓范圍之內(nèi)，電源電路能正常工作。

（1）溫度采集驅(qū)動(dòng)程序調(diào)試

通過邏輯分析儀抓取控制時(shí)序，將抓取到的 I2C 時(shí)序和給出的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序要求進(jìn)行對比，檢查是否滿足時(shí)序要求。通過計(jì)算可知，該傳感器在進(jìn)行溫濕度轉(zhuǎn)換時(shí)間最少為 12.5ms，在觸發(fā)測量后，最少要延時(shí) 13ms 再進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

4.2溫度采集系統(tǒng)測試

將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和本文設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)放置在溫箱內(nèi)，通過調(diào)節(jié)溫箱溫度，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表3：

由表3可知，本文設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)誤差在+/-0.2℃以內(nèi)。

5總結(jié)

本文基于ARM設(shè)計(jì)了高精度的溫度數(shù)據(jù)采集模塊，制定了可實(shí)現(xiàn)的總體方案，完成了硬件電路設(shè)計(jì)，軟件模塊設(shè)計(jì)，并通過對相關(guān)性能的指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)研究，以及對相關(guān)參考電壓值的選取與模數(shù)轉(zhuǎn)換精度之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，給出了各部分功能電路的實(shí)現(xiàn)方案。最后對采集到的數(shù)據(jù)與測試指標(biāo)進(jìn)行對標(biāo)分析，測試結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的溫度采集系統(tǒng)誤差在+/-0.2℃以內(nèi)，可以滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

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