基于MAX1452的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)前端模塊的設(shè)計(jì)

安都勛，霍建華，王留全

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 陜西 西安 710089）

在飛行試驗(yàn)中，對(duì)飛機(jī)應(yīng)變量進(jìn)行測(cè)試是十分普遍而且重要的，也是鑒定飛機(jī)本身的性能和安全的重要依據(jù)[1]。隨著飛機(jī)飛行試驗(yàn)中需要測(cè)試的應(yīng)變參數(shù)數(shù)量的大量增加和機(jī)載測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)飛行試驗(yàn)中正在采用當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)化分布式測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試設(shè)備進(jìn)行飛機(jī)試驗(yàn)[2]。飛機(jī)本身安裝設(shè)備和采集精度的要求，網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)所需要掛靠的前端采集模塊要求功耗和體積非常的小，可以安裝在比較靠近飛機(jī)需要測(cè)試的部位。傳統(tǒng)的應(yīng)變采集設(shè)備一般使用的是大量的分立元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，各通道獨(dú)立性不強(qiáng)，采集電路的噪聲比較大，沒(méi)有溫度修正功能，使得采集的應(yīng)變參數(shù)這類(lèi)微小信號(hào)精度不高。并且設(shè)備的體積和功耗比較大，占用了飛機(jī)內(nèi)部寶貴的空間和電源功率。針對(duì)以上問(wèn)題，在新的網(wǎng)絡(luò)化分布式機(jī)載應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的中采用了Maxim公司高度集成的MAX1452傳感器調(diào)理芯片來(lái)設(shè)計(jì)了新型的前端應(yīng)變采集模塊。

筆者利用MAX1452內(nèi)部集成的4個(gè)高精密DAC為全橋構(gòu)成式應(yīng)變片的電路提供可編程的精密電壓激勵(lì)，設(shè)置偏移量及溫度修正等功能實(shí)現(xiàn)[3]，比利用內(nèi)部集成的PGA對(duì)電橋產(chǎn)生的微應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行程控放大。經(jīng)過(guò)MAX1452調(diào)理后的信號(hào)通過(guò)高性能的開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX7420進(jìn)行5階低通濾波，然后由SPI接口的A/D芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由FPGA對(duì)16位A/D數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼輸入到網(wǎng)絡(luò)接口當(dāng)中去。采集電路使用芯片少，封裝小，功耗低，并通過(guò)電路板的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通道供電及工作的完全獨(dú)立，當(dāng)某一通道因傳感器發(fā)生故障時(shí)不影響其他通道的工作，有效降低了應(yīng)變飛行課題的試驗(yàn)成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該應(yīng)變采集模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由一塊數(shù)字板，兩塊模擬板上下連接構(gòu)成，在對(duì)多通道的應(yīng)變信號(hào)參數(shù)的測(cè)試過(guò)程中：當(dāng)系統(tǒng)上電初始化過(guò)程中，模塊的數(shù)字板中的主控制器FPGA通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的加載命令，對(duì)兩塊模擬板中的每個(gè)應(yīng)變通道的調(diào)理芯片MAX1452進(jìn)行軟件編程，設(shè)置激勵(lì)電壓，偏置電壓，增益，并調(diào)節(jié)MAX7420的時(shí)鐘信號(hào)頻率來(lái)調(diào)節(jié)濾波截止頻率；當(dāng)在采集過(guò)程中，對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行同步采集，并將采集到的應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行編碼，通過(guò)數(shù)字板上的網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)控制器；同時(shí)，讀取每個(gè)應(yīng)變通道中MAX1452內(nèi)部集成的溫度傳感器的8位數(shù)據(jù)，判斷模塊各個(gè)通道環(huán)境溫度，并依據(jù)溫度高低通過(guò)激勵(lì)電壓和偏置電壓進(jìn)行修正，最終完成整個(gè)前端模塊的采集工作。

圖1 應(yīng)變采集模塊系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the strain sample module system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

應(yīng)變采集模塊系統(tǒng)硬件分?jǐn)?shù)字電路和模擬電路組成。模擬電路由多個(gè)單獨(dú)的應(yīng)變通道調(diào)理電路組成，每個(gè)通道都是一樣的，都是由激勵(lì)電壓電流增強(qiáng)電路，MAX1452及其外圍輔助電路，DC/DC電源變換電路，濾波及A/D采集電路組成，其硬件設(shè)計(jì)圖如圖2所示。數(shù)字電路主要包括了28 V的直流電源變換電路，F(xiàn)PGA及其外圍電路和網(wǎng)絡(luò)接口電路組成；限于篇幅，文中主要針對(duì)本模塊如何利用高度集成傳感器調(diào)理芯片MAX1452來(lái)處理微應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行介紹，數(shù)字電路部分下面不再詳細(xì)介紹。

圖2 單通道系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the a channel hardware system

2.1 MAX1452簡(jiǎn)介

MAX1452是Maxim公司生產(chǎn)的一種高度集成的模擬傳感器信號(hào)處理器，可用于優(yōu)化工業(yè)和過(guò)程控制中采用阻性元件的傳感器。MAX1452具有放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能，其綜合工作特性可以逼近傳感器所固有的可重復(fù)能力。其全模擬信號(hào)通道在輸出信號(hào)中不會(huì)引入量化噪聲，并利用集成的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）實(shí)現(xiàn)數(shù)字化校準(zhǔn)。利用16位DAC對(duì)信號(hào)的偏移量和跨度校準(zhǔn)，賦予傳感器產(chǎn)品真正的可互換性[4]。

MAX1452結(jié)構(gòu)包含1個(gè)可編程傳感器激勵(lì)、1個(gè)16級(jí)可編程增益放大器（PGA）、1個(gè)768字節(jié)內(nèi)部EEPROM、4個(gè)16位DAC、1個(gè)通用的運(yùn)算放大器以及1個(gè)內(nèi)嵌的溫度傳感器。除偏移量和跨度補(bǔ)償外，MAX1452還利用偏移量的溫度系數(shù)（TC）和跨度溫度系統(tǒng)（FSOTC）提供獨(dú)特的溫度補(bǔ)償，在提供非凡的靈活性的同時(shí)降低了檢測(cè)成本。

該芯片的性能特點(diǎn)主要是單芯片提供了一條傳感器信號(hào)的模擬放大電路，如圖2所示。它利用模擬架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一階溫度響應(yīng)修正。在此基礎(chǔ)上利用其它數(shù)字控制的模擬放大通道實(shí)現(xiàn)了非線(xiàn)性溫度響應(yīng)修正。校準(zhǔn)和修正都是通過(guò)改變偏移量和可編程增益放大器（PGA）上的增益以及傳感器電橋上的激勵(lì)電壓和激勵(lì)電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PGA具有從39 V/V至236 V/V之間16級(jí)放大增益。它使用了4個(gè)16位DAC，并由用戶(hù)將校準(zhǔn)系數(shù)存放于其內(nèi)部768×8EEPROM中。這些內(nèi)存都是以16位字的形式存放的，包括了配置寄存器、偏移量校準(zhǔn)系數(shù)表、偏移量溫度系數(shù)寄存器、跨度（FSO）校準(zhǔn)表、跨度溫度誤差修正系數(shù)寄存器等內(nèi)容，使得硬件電路的設(shè)計(jì)更加方便可靠。

2.2 單通道應(yīng)變采集電路硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)MAX1452芯片特性可知，MAX1452對(duì)外部傳感器提供了可編程的電壓源激勵(lì)或電流源激勵(lì)。當(dāng)對(duì)外部傳感器供電時(shí)，要求外部傳感器供電滿(mǎn)足片上激勵(lì)源輸出電流或者電壓的限制條件。考慮到本次開(kāi)發(fā)的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)使用的傳感器應(yīng)變電橋是350 Ω阻抗，當(dāng)提供+5 V電壓激勵(lì)時(shí)，需要提供大約14 mA的電流，而MAX1452僅能提供最大2.5 mA的電流，因此需要增強(qiáng)其電流驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)，MAX1452適應(yīng)于輸出靈敏度為4 mV/V到60 mV/V的傳感器，而本系統(tǒng)中應(yīng)變電橋在測(cè)量最小范圍1 000 μs時(shí)，10 V供電才產(chǎn)生5 mV的輸出電壓信號(hào)，因此在MAX1452和應(yīng)變電橋之間尚需要一高精度差分放大器進(jìn)行預(yù)放大。

MAX1452內(nèi)部的4個(gè)16位DAC模塊的基準(zhǔn)都來(lái)自于它的電源引腳VDD，因此其供電電壓的精度對(duì)性能的影響很大，這里采用了一個(gè)高性能電壓基準(zhǔn)芯片MAX15006B將+12 V供電電壓轉(zhuǎn)換為高精度的+5 V電壓，為MAX1452及其它芯片提供一個(gè)穩(wěn)定電源與基準(zhǔn)電壓。值得注意的是，此處系統(tǒng)電路硬件和軟件設(shè)計(jì)僅僅在工作模式上使用了處于非比例工作電路的MAX1452的數(shù)字模式，在溫度修正方面使用了一階線(xiàn)性溫度修正功能，而并沒(méi)有考慮MAX1452的其他工作模式。

MAX1452通過(guò)一個(gè)雙向的引腳DI/O與微控制器交換數(shù)據(jù)，它們之間進(jìn)行通信的協(xié)議是異步串行通訊。當(dāng)主機(jī)發(fā)送初始化序列時(shí)，MAX1452將自動(dòng)檢測(cè)主機(jī)的波特率。無(wú)論MAX1452內(nèi)部震蕩器如何設(shè)置，使用4 800 bps與38 400 bps之間的波特率都可以檢測(cè)得到。數(shù)據(jù)格式為始終為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位，沒(méi)有奇偶校驗(yàn)位。引腳UNLOCK一個(gè)功能是控制MAX1452與微機(jī)通信的狀態(tài)：當(dāng)其為低電平時(shí)，禁止MAX1452與微控制器進(jìn)行通訊。引腳UNLOCK的另一個(gè)功能是配合加密鎖控制寄存器 （即 CL[7：0]）對(duì)MAX1452的工作模式進(jìn)行設(shè)置，此處沒(méi)有使用該模式，僅將其連接到微控制器的一個(gè)通用I/O口上即可。CLK1M引腳通過(guò)配置寄存器向外部提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的1 MHz的時(shí)鐘信號(hào)以供外部控制器使用，可以減少外部震蕩電路的設(shè)計(jì)；當(dāng)不需要使用該信號(hào)時(shí)，也可以通過(guò)配置寄存器關(guān)閉該時(shí)鐘信號(hào)的輸出，以降低EMC干擾。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括MAX1452集成芯片固件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和整個(gè)采集模塊系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)2大部分。這里我們使用的是大規(guī)?？删幊踢壿婩PGA芯片實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)發(fā)使用的語(yǔ)言采用了VerilogHDL硬件描述語(yǔ)言[5]，開(kāi)發(fā)環(huán)境是QuartusII軟件的10.1版本[6]。由于FPGA控制器和MAX1452進(jìn)行通信的軟件設(shè)計(jì)是本次軟件開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，本文以下對(duì)其詳細(xì)介紹。

FPGA控制器與MAX1452的通訊采用了異步串行通信協(xié)議，需要使用一個(gè)雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。FPGA可以使用一個(gè)通用的雙向I/O引腳來(lái)模擬異步串行異步通信，也可以利用大部分微控制器上集成的異步串行通訊接口來(lái)（如當(dāng)前通用的C51系列單片機(jī)或ARM芯片等）實(shí)現(xiàn)。本次應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用了微控制器內(nèi)部集成的異步通訊外設(shè)（波特率需要設(shè)置在4 800 bps與38 400 bps之間，數(shù)據(jù)格式要設(shè)置為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX1452的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)控制。

當(dāng)MAX1452工作在數(shù)字模式下 （本次設(shè)計(jì)即采用了這種模式），F(xiàn)PGA要通過(guò)串行接口命令來(lái)加載寄存器數(shù)值 （包括了DAC數(shù)據(jù)寄存器和配置寄存器等），對(duì)內(nèi)部的EEPROM進(jìn)行擦除或數(shù)據(jù)加載，或者讀取MAX1452內(nèi)嵌的溫度傳感器的數(shù)值。實(shí)現(xiàn)的步驟依次是在穩(wěn)定電源給器件供電1 mS后，首先發(fā)送一個(gè)初始化序列字節(jié)（0x01h），如果必要的話(huà)還需要發(fā)送一個(gè)重新初始化系列字節(jié) （0xFFh）；其次按照IRS（接口寄存器集）確定的格式（見(jiàn)參考文獻(xiàn)）對(duì)所有寄存器、EEPROM單元和溫度索引值進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)。微控制器訪問(wèn)MAX1452的數(shù)據(jù)格式圖3所示。

圖3 FPGA和MAX1452通信的數(shù)據(jù)格式圖Fig.3 Data format diagram of the communication protocol

微控制器通過(guò)MAX1452對(duì)傳感器芯片進(jìn)行調(diào)理的過(guò)程其實(shí)就是不斷地對(duì)MAX1452內(nèi)部各種不同用途寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)的過(guò)程。通過(guò)上面的說(shuō)明我們可以看到讀寫(xiě)寄存器不僅需要通訊格式命令，還需要按照IRS格式不斷進(jìn)行拆分字節(jié)和組合字節(jié)，這里我們給出微控制器訪問(wèn)配置寄存器的程序流程圖，如圖4所示，以便讀者更加清楚了解。

4 結(jié) 論

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Flow chart of the software design

文中通過(guò)上述系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中前端電路采集模塊的設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足了網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)前端采集模塊設(shè)計(jì)中所要求的特點(diǎn)。采用這種集成的傳感器信號(hào)調(diào)理芯片的設(shè)計(jì)方案在進(jìn)行飛行試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用中具有采集精度高，體積和供號(hào)小，可以按照要求分布式安裝在飛機(jī)各個(gè)空間狹小的部位，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

[1]薛軍，紀(jì)敦，李猛，等.飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)變信號(hào)的采集與預(yù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理 [J].數(shù)據(jù)采集與處理，2009，24（4）：315-317.XUE Jun， JI Dun， LI Meng， et al.Strain data acquisition and preprocessing system for aircraft structure[J].Journal of Data Acquisition and Processing，2009，24（4）:315-317.

[2]杜鵬飛，陳國(guó)順.網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試技術(shù)研究與應(yīng)用[J].微機(jī)算機(jī)信息，2010，26（6-3）：122-124.DU Peng-fei，CHEN Guo-shun.Research and applications of network test technology[J].Microcomputer Information，2010，26（6-3）:122-124.

[3]劉鵬，楊學(xué)友，楊凌輝，等.基于MAX1452硅壓力傳感器信號(hào)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（4）:61-64.LIU Peng，YANG Xue-you，YANG Ling-hui，et al.Design of compensating silicon piezoresistive sensor error based on MAX-1452[J].Instrument Technique and Sensor，2010（4）:61-64.

[4]Maxim integrated products Inc.MAX1452 data sheet.[EB/OL].[2011-11-11].www.maxim-ic.com.

[5]夏宇聞.VerilogHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[6]吳繼華，王誠(chéng).Altera FPGACPLD設(shè)計(jì)高級(jí)篇[M].2版.北京：人民郵電出版社，2011.