基于AD8276的電流源及角度傳感器在農(nóng)機(jī)中的應(yīng)用

廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司　賓顯文　陳　偉　林欽堅(jiān)　管明源

基于AD8276的電流源及角度傳感器在農(nóng)機(jī)中的應(yīng)用

廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司賓顯文陳偉林欽堅(jiān)管明源

介紹一個(gè)基于低功耗、寬電源電壓范圍、單位增益差動(dòng)放大器AD8276與AD8605組成的恒流源系統(tǒng)和高精度角度電阻式角度傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航耕種中的解決方案。文中給出了AD8276與AD8605的電路設(shè)計(jì)原理，并且通過(guò)相關(guān)電路仿真以及實(shí)際電路測(cè)試得出如下結(jié)論：高精度角度電阻式傳感器旋轉(zhuǎn)角度與基于AD8276電流源硬件采集電路輸出電壓成正線性相關(guān)，其回歸方程為A=72Vo-1.055e-5，線性相關(guān)系數(shù)是0.9978。

精密機(jī)械農(nóng)業(yè)；角度傳感器；自動(dòng)導(dǎo)航；AD8276；AD8605

0　引言

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，而農(nóng)業(yè)是一個(gè)國(guó)家的根基產(chǎn)業(yè)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)則代表著一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向和未來(lái)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，是由信息技術(shù)支持的、根據(jù)空間變異定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)，其基本涵義是根據(jù)作物生長(zhǎng)的土壤性狀，調(diào)節(jié)對(duì)作物的投入，即一方面查清田塊內(nèi)部的土壤性狀與生產(chǎn)力空間變異，另一方面確定農(nóng)作物的生產(chǎn)目標(biāo)，進(jìn)行定位的“系統(tǒng)診斷、優(yōu)化配方、技術(shù)組裝、科學(xué)管理”，調(diào)動(dòng)土壤生產(chǎn)力，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得更好經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。為了能達(dá)到精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的目的，農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航耕種技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1　系統(tǒng)框圖

在農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航耕種技術(shù)中，精準(zhǔn)地控制農(nóng)業(yè)大型機(jī)械在農(nóng)田中精準(zhǔn)地耕種是重點(diǎn)難題。在整個(gè)系統(tǒng)中需要運(yùn)用GPS、GIS及傳感器等現(xiàn)代化技術(shù)。利用ADI公司的低功耗、寬電源電壓范圍、單位增益差動(dòng)放大器AD8276和精密、低噪聲、CMOS、軌到軌輸入/輸出運(yùn)算放大器AD8605設(shè)計(jì)的恒流源對(duì)電阻式角度傳感器電阻進(jìn)行測(cè)量。利用AD7176對(duì)該模擬量進(jìn)行采集后將信號(hào)傳送給CPU進(jìn)行相關(guān)處理，形成閉環(huán)反饋對(duì)機(jī)車進(jìn)行控制，同時(shí)結(jié)合GPS定位信息達(dá)到自動(dòng)導(dǎo)航精準(zhǔn)耕種的目的。

圖1.1　機(jī)車控制閉環(huán)反饋部分系統(tǒng)

如圖1.1所示，在整個(gè)機(jī)車控制系統(tǒng)中，恒流源為角度傳感器提供電流，角度傳感器的模擬變量經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后由AD轉(zhuǎn)換模塊采集后，以數(shù)字信號(hào)（SPI接口）的形式發(fā)送給CPU處理，經(jīng)過(guò)相關(guān)解算后CPU通過(guò)液壓閥驅(qū)動(dòng)IC控制農(nóng)業(yè)機(jī)車，從而達(dá)到閉環(huán)反饋的目的。這一部分硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于恒流源電路設(shè)計(jì)。

2　硬件設(shè)計(jì)

AD8276為通用型單位增益差動(dòng)放大器，主要用于在高要求高性能、低功耗的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)精密信號(hào)調(diào)理。它在將供電軌以外的信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，提供極為出色的共模抑制比（86dB）和高帶寬。片內(nèi)電阻經(jīng)過(guò)激光調(diào)整，以獲得出色的增益精度和高共模抑制比（CMRR），且增益隨溫度漂移極低。

AD8605是單路、雙路和四路、軌到軌輸入和輸出、單電源放大器，具有極低失調(diào)電壓、低輸入電壓和電流噪聲以及寬信號(hào)帶寬等特性。這個(gè)放大器采用ADI公司的DigiTrim?調(diào)整專利技術(shù)，無(wú)需激光調(diào)整便可達(dá)到出色的精度。

低失調(diào)、低噪聲、極低的輸入偏置電流和高速度特性相結(jié)合，使這些放大器適合各種應(yīng)用。濾波器、積分器、光電二極管放大器和高阻抗傳感器等器件均可受益于這些特性組合。寬帶寬和低失真特性則有益于音頻和其它交流應(yīng)用。具體應(yīng)用包括光學(xué)控制環(huán)路、便攜式和環(huán)路供電儀器儀表以及便攜式設(shè)備的音頻放大。

在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，農(nóng)機(jī)經(jīng)常工作在非常惡劣的環(huán)境中，溫度偏差大。選用的器件不僅要求具有汽車級(jí)工作條件，而且還需要具有溫度漂移低等特點(diǎn)。利用低功耗差動(dòng)放大器AD8276和運(yùn)算放大器AD8605構(gòu)建的電流源，不僅經(jīng)濟(jì)、靈活、小巧，而且初始誤差、溫度漂移和功耗等性能也都非常出色。圖2.1是電流源硬件設(shè)計(jì)原理圖。

圖2.1　恒流源硬件設(shè)計(jì)原理圖

本系統(tǒng)所使用的電阻式角度傳感器為美國(guó)BEIsensor的某系列傳感器，該傳感器的阻值為5K?±20%，線性精度為±2%，有效旋轉(zhuǎn)角度為85°±2°，機(jī)械旋轉(zhuǎn)角度為130°。此角度傳感器安裝在機(jī)車前輪的連桿上，以便準(zhǔn)確地測(cè)量機(jī)車旋轉(zhuǎn)的角度。A/D轉(zhuǎn)換采用的是分辨率24位，數(shù)據(jù)輸出速率最大為250Ksps，Σ-Δ型且內(nèi)部具有基準(zhǔn)源為2.5V 的ADI芯片AD7176-2，。為了滿足AD7176-2的模擬量采集范圍，電流源的電流輸出設(shè)計(jì)為5mA，則AD7176-2的所采集的實(shí)際電壓為0～2.5V，滿足實(shí)際使用要求。

如圖1.2.1所示基準(zhǔn)電壓REF_1.25V加在AD8276的同相輸入端，該電壓控制輸出電流量IO。AD8276的反相輸入端則直接接地。該器件內(nèi)置四個(gè)40K?激光調(diào)整電阻，分別與輸入引腳、REF引腳和SENSE引腳相連。由于AD8276的內(nèi)部電阻嚴(yán)格匹配，輸出電流計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為下式。

（1）VLOAD= IO×R必須在運(yùn)算放大器AD8605的輸入范圍0～5V內(nèi)。

（2）VOUT= IO×（R1+ R）必須在AD8276 SENSE引腳電壓范圍內(nèi)：2（-Vs）-0.2V至2（+Vs） -3V。

（3） IO×（R1+ R） + 2（-Vs） -0.2V至2（+Vs） -3V必須在AD8276輸出電壓范圍內(nèi)：-Vs + 0.2V至+Vs -0.2V。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，電路設(shè)計(jì)滿足以上三點(diǎn)要求。

圖3.1　電流源電路仿真圖

3　電路仿真及測(cè)試

為了驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的可行性，利用PSpice仿真軟件對(duì)電流源電路進(jìn)行相關(guān)仿真。仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，如圖3.1所示。

其中，橫坐標(biāo)為角度電阻式傳感器輸出阻值R，縱坐標(biāo)為電流源硬件電路輸出電壓值。由角度電阻式傳感器特性可知，角度電阻式傳感器旋轉(zhuǎn)角度與其輸出阻值成線性相關(guān)，線性精度為±2%。又該仿真結(jié)果表明，角度電阻式傳感器輸出阻值R與電流源硬件電路輸出電壓值呈線性關(guān)系且正相關(guān)。因此，可以推斷出角度電阻式傳感器旋轉(zhuǎn)角度與電流源硬件電路輸出電壓值呈線性相關(guān)。

利用上位機(jī)對(duì)實(shí)際電路板進(jìn)行測(cè)試，分別對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行多次相同條件的數(shù)據(jù)采集，取平均值后得到的輸出電壓與傳感器的角度值測(cè)試結(jié)果如圖3.2所示。

利用OriginPro 8軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到如下結(jié)論：角度電阻式傳感器旋轉(zhuǎn)角度與基于AD8276電流源硬件采集電路輸出電壓成正線性相關(guān)，其回歸方程為A=72Vo-1.055e-5，線性相關(guān)系數(shù)是0.9978。在實(shí)際電路工作時(shí)，由于供電電源、電磁場(chǎng)、環(huán)境溫度等因素的影響導(dǎo)致一定誤差，但在實(shí)際應(yīng)用中，不會(huì)對(duì)角度值的準(zhǔn)確性造成影響。測(cè)試結(jié)果表明Vo與A具有非常好的相關(guān)性，基于AD8276電流源的硬件檢測(cè)電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)角度電阻式傳感器角度的準(zhǔn)確測(cè)量。

4　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航耕種中的機(jī)械設(shè)備精準(zhǔn)角度測(cè)量的解決方案。該電路方案是由低功耗、寬電源電壓范圍、單位增益差動(dòng)放大器AD8276與AD8605組成的恒流源系統(tǒng)和高精度角度電阻式角度傳感器組成。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)電路的仿真和大量數(shù)據(jù)實(shí)際測(cè)試表明，基于AD8276電流源的硬件檢測(cè)電路輸出電壓值與該電阻式角度傳感器輸出角度具有非常好的相關(guān)性，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)角度電阻式傳感器角度的精確、穩(wěn)定測(cè)量。

［1］郭佩佩，黃家懌，等.傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，5：232-236.

［2］Minzan Li，Sun-Ok Chung.Special issue on precision agriculture［J］. Computers and Electronics in Agriculture，2015，112：1.

［3］衛(wèi)永琴，高建峰.一種恒流源電路的巧妙設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，9：1170.

［4］Gina Roos.Op amp pair offers 5-to 16-V operation［J］.Electronic Engineering Times，2007，1486：28-29.

［5］胡文超，張正炳，歐陽(yáng)鳳鳴.汽車方向盤角度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，2：403-405.

［6］AD827x：高性能差動(dòng)放大器［J］.世界電子元器件，2009，10：32.

賓顯文，男，畢業(yè)于桂林電子科技大學(xué)，硬件研發(fā)工程師，主要從事嵌入式硬件平臺(tái)研發(fā)工作。

陳偉，男，畢業(yè)于桂林電子科技大學(xué)，技術(shù)經(jīng)理，主要從事嵌入式硬件平臺(tái)研發(fā)工作。

林欽堅(jiān)，男，畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)，硬件研發(fā)工程師，主要從事嵌入式硬件平臺(tái)研發(fā)工作。

管明源，男，畢業(yè)于桂林電子科技大學(xué)，硬件研發(fā)工程師，主要從事嵌入式硬件技術(shù)研發(fā)工作。