基于AD7714的多通道霍爾高斯計

鄭辰雅,占瑜毅,胡 毅

(合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 引言

精密球鉸鏈和球關(guān)節(jié)是機器人、并聯(lián)機構(gòu)、并聯(lián)機床和并聯(lián)測量機上重要運動部件，應(yīng)用十分廣泛。如果能實時獲得球鉸桿在空間任意方向上的回轉(zhuǎn)角度，將有助于實現(xiàn)對球鉸鏈的運動控制和間隙誤差的補償[1]。對于基于磁效應(yīng)的智能球關(guān)節(jié)，要求不影響球關(guān)節(jié)運動精度、力學(xué)性能，不破壞結(jié)構(gòu)，這其中磁場強度的有效測量是關(guān)鍵問題之一。傳統(tǒng)的高斯計體積大，操作不便，無法同時進行多組數(shù)據(jù)測量。

為了減小儀器體積，能夠同時采集多個位置的磁場強度并實時輸送給上位機進行處理，基于AD7714設(shè)計了一款新型多通道霍爾高斯計。AD7714是一種廣泛運用于高精度工業(yè)領(lǐng)域的電荷平衡式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其所具有的∑—Δ采樣轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)24位的無誤碼性能，共有8個差分或準(zhǔn)差分輸入端口，十分適合測量低頻小信號且可以滿足多個通道的數(shù)據(jù)采集與處理。本設(shè)計使用HG106C砷化鎵線性霍爾傳感器為探測元件。由砷化鎵材料制成的半導(dǎo)體器件更加耐高溫，低噪聲和強輻射，因此該霍爾器件具有更高的可靠性和穩(wěn)定性[2-3]。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)硬件電路部分組成如圖1所示，主要分為信號源供電電路，信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集。針對傳感器的傳輸特性，根據(jù)實際實驗得到的信號波形，設(shè)計了一種基于TL431芯片的恒流源電路為傳感器供電，提高信號本身的抗干擾能力；信號調(diào)理部分，選擇了合適的運算放大芯片，設(shè)計可調(diào)增益放大電路和濾波電路；采用AD7714與STC12C5410AD單片機配合設(shè)計數(shù)據(jù)采集以及單片機與上位機通信的軟硬件。

圖1 硬件電路框圖

2 恒流源及信號調(diào)理電路設(shè)計

2.1 恒流源電路設(shè)計

圖2 HG106C砷化鎵線性霍爾傳感器溫度輸出特性

傳感器的溫度輸出特性見圖2，其中恒壓源額定電壓為6 V，恒流源供電電流為10 mA，檢測磁場強度為50 mT?？梢悦黠@得知在恒壓源供電條件下溫漂遠(yuǎn)大于恒流源供電，由此，本設(shè)計擬使用恒流源為傳感器提供工作電壓。

TL431是常用的電壓基準(zhǔn)，它的輸出電壓用2個電阻就可以任意設(shè)置Vref從2.5～36 V范圍內(nèi)的任何值，利用TL431搭建的恒流源如圖3所示。

圖3 基于TL431的恒流源原理圖

由于參考端對陽極電壓恒定為2.5 V，電流I=2.5/R1，因此電阻R1的穩(wěn)定性直接影響了恒流源輸出，故選用零溫漂系數(shù)的高精密電阻，阻值為250 Ω，恒流源供電電源10 mA。

2.2 放大電路設(shè)計

HG106測量范圍為0～300 mT，該傳感器B-V輸出特性如圖4所示，其中恒壓源額定電壓為6 V，恒流源供電電流為10 mA，檢測磁場強度為50 mT。在10 mA恒流源供電條件下最大輸出電壓為480 mV，mV級信號不適用于后級ADC電路的采樣處理，因此必須設(shè)計放大電路將信號放大至合適的范圍。

圖4 HG106C砷化鎵線性霍爾傳感器B-V對應(yīng)輸出特性

圖5 基于INA128的放大電路原理圖

出于對信號源的阻抗的考慮以及放大器應(yīng)具有的特征，為提高信噪比[4-5]，本設(shè)計選用具有低噪聲、低功耗、高精度、高輸入阻抗的儀表放大器INA128，采取差分輸入方式；為了減小偏置電流的影響同時削弱外部干擾及耦合，將基準(zhǔn)電壓端接地，正負(fù)電源引腳處接0.1 μF濾波電容，原理圖如圖5所示。該放大器的增益調(diào)整非常方便，在引腳1和引腳8之間外接一個電阻RG即可，其增益公式為

(1)

2.3 濾波電路設(shè)計

在直流信號的測量中，為了獲得信號的低漂移特性，需要具有自穩(wěn)零性能的放大器構(gòu)成濾波電路來減小噪聲[4-5]，為此選用了低噪聲、低偏置雙極性輸入運算放大器OP177，考慮到相移以及階數(shù)越高電路越復(fù)雜引入的誤差與干擾，最終采用圖表法設(shè)計無限增益多路反饋二階巴特沃斯低通濾波器，設(shè)計用表見表1。

表1 二階巴特沃斯低通濾波設(shè)計用表

由于是直流信號的放大，因此截止頻率設(shè)置較低，令fc=9 Hz，查表C1選用1 μF，增益設(shè)置為1，根據(jù)設(shè)計表確定歸一化電阻值對各個元器件參數(shù)進行選用,不考慮元件參數(shù)誤差情況下對電路參數(shù)進行校核,誤差均在5%以內(nèi)。用OP177設(shè)計濾波電路原理圖如圖6所示。

圖6 基于OP177的濾波電路原理圖

3 霍爾傳感器信號采集系統(tǒng)設(shè)計

3.1 基于STC12單片機的硬件電路設(shè)計

3.1.1 ADC器件的選用

本設(shè)計中對于電路的要求為分辨可達0.000 1 mT，傳感器最大感應(yīng)磁信號為300 mT，則需要使用24位AD轉(zhuǎn)換芯片。而ADC的分辨率越高，對于信號的預(yù)處理要求就越低，且要求能夠進行多通道的數(shù)據(jù)采集與處理，因此需要選用多路開關(guān)或者使用自帶3個以上輸入通道的AD芯片。系統(tǒng)中的ADC是具有較高精度和較高性能的轉(zhuǎn)換器。

3.1.2 AD7714相關(guān)電路設(shè)計

AD7714轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采用串行方式輸出，它串行接口包括：SCLK、CS、DRDY、DOUT、DIN 5個信號[6]。本設(shè)計選用STC12C5410AD單片機，AD7714這5個信號直接連接到STC12C5410AD單片機的對應(yīng)引腳P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4。圖7為AD7714與STC12C5410AD單片機的接口電路圖。AD7714的主時鐘信號可由晶振或外部時鐘提供，選用可提供2.457 6 MHz頻率的晶振。

圖7 AD7714與STC12C5410AD單片機的接口電路圖

基準(zhǔn)電壓的精準(zhǔn)度和熱穩(wěn)定性直接影響到ADC的測量精度，因此選用高精度參考電壓源AD780為AD7714提供基準(zhǔn)電壓。AD780的SEL懸空或者是接地時電壓輸入在4～36 V，輸出電壓范圍在2.5 V±1 mV，TEMP與地之間添加電容可以進一步改善器件的噪聲性能，因輸出電壓滿足需求，不需要進行調(diào)整，故TRIM腳懸空。硬件接線圖如圖8所示。

圖8 AD780基準(zhǔn)電壓源硬件電路圖

3.2 應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)是一個三通道的測磁系統(tǒng)，以三通道輪巡測量方式運行，通道間切換時間在3 ms左右。在動態(tài)測量情況下，相對于精密球鉸鏈運動速度而言可以認(rèn)為是實時采集。系統(tǒng)運行時，主芯片輪巡讀取3個通道的AD數(shù)字量，經(jīng)串口加包頭打包發(fā)送至上位機。在上位機上完成數(shù)據(jù)拆解、公式轉(zhuǎn)換后以數(shù)字和圖像顯示出來。

3.2.1 基于AD7714的模數(shù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計

單獨的硬件支持不能使AD工作。在使用AD7714之前，有必要使用微控制器對片內(nèi)寄存器進行編程以設(shè)置其所有寄存器，以確保器件的正常工作以實現(xiàn)通道選擇和增益，AD7714包含8個片內(nèi)寄存器，在信號轉(zhuǎn)換中主要用到通訊寄存器、模式寄存器、濾波器高寄存器和濾波器低寄存器，這些寄存器都是通過串行口訪問的，且對于任何寄存器的讀寫都是從寫通訊寄存器開始的[6]。AD7714的讀取和寫入操作按照時序進行，圖9為AD7714的讀寫時序圖。

圖9 AD7714的讀寫時序圖

AD7714寄存器設(shè)置程序如下：

void _7714_init(uchar channel)

{ uchar i;

for(i=0;i<30;i++) //確保寫入

{ SCLK=1;

DIN=1;}

switch(channel)

{ case 1:

_7714_Write(0x20); //選擇濾波器高寄存器,選擇通道1，準(zhǔn)備寫入

_7714_Write(0x4f); //配置濾波器高寄存器，選擇雙極性模式，24位，升壓關(guān)閉，所有4個過濾器字的最高位為1

_7714_Write(0x30); //選擇濾波器低寄存器，選通道1，準(zhǔn)備寫入

_7714_Write(0xa0); //配置濾波器低寄存器，將濾波器低位部分允許使用最大過濾字

_7714_Write(0x10); //選擇模式寄存器，選擇通道1，準(zhǔn)備寫入

_7714_Write(0x20); //配置模式寄存器，增益為1，關(guān)掉電流，不進行濾波器同步，自校準(zhǔn)

break;}

delay_ms(50); //等待寫入

}

3.2.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

首先單片機串口上電初始化，等待串口發(fā)送指令，串口收到數(shù)據(jù)后進入串口中斷，單片機將AD7714轉(zhuǎn)化的數(shù)字量發(fā)往單片機，數(shù)據(jù)讀取程序如下：

ulint _7714_Read(uchar channel)

//從AD7714讀取3個字節(jié)數(shù)據(jù)

{ ulint y=0x000000;

char b;

switch(channel)

{ case 1:_7714_Write(0x58);break;//選擇數(shù)據(jù)寄存器進行讀取通道1操作}

SCLK=1;

for(b=0;b<24;b++) //拿24位的y裝取DOUT值

{y<<=1;

SCLK=0;

if(DOUT==1)

{ y++;}

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

SCLK=1;

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();

}

SCLK=1;

return y;

}

4 系統(tǒng)測試

本節(jié)所有實驗均以多通道霍爾高斯計為實驗對象，進行信號調(diào)理電路測試及測量系統(tǒng)長時間穩(wěn)定性檢測。

4.1 信號調(diào)理電路測試

對信號調(diào)理電路進行測試，使用恒流源供電，供電電流10 mA，調(diào)節(jié)傳感器與磁鐵間位置，測量電路輸入和輸出電壓，繪制成圖(圖10)，將數(shù)據(jù)進行一階線性擬合，擬合出直線方程式：

Uo=5.244 9Ui-0.005 3

(2)

判定系數(shù)R2=0.999 8，為回歸平方和占總誤差平方和的比例，R2越趨于1，則回歸方程擬合得越好。因此，本系統(tǒng)的線性度較好，線性回歸方程Uo=5.244 9Ui-0.005 3可靠性較大，信號調(diào)理電路的功能得以實現(xiàn)。

圖10 信號調(diào)理電路輸入輸出曲線

4.2 測量系統(tǒng)長時間穩(wěn)定性檢測

將霍爾傳感器固定于磁場中，測量系統(tǒng)采集傳感器輸出信號并上傳上位機進行處理，為了檢驗測量系統(tǒng)長時間穩(wěn)定性，在通道1上接入霍爾傳感器保持其與強磁場球距離始終不變，連續(xù)測量2 h，數(shù)據(jù)上傳至上位機以電壓形式顯示，測量期間環(huán)境溫度基本穩(wěn)定在13 ℃。每5 min取一點，一共25個樣本，繪制成折線圖，如圖11所示。

圖11 樣本變化折線圖

令

u=σ2/σ1-1

(3)

借助不同公式計算標(biāo)準(zhǔn)差比較法，|u|=0.016，排除了存在系統(tǒng)誤差可能。

以上樣本數(shù)據(jù)極差為0.004 8 V，總體在1.276 8～1.281 6 V之間波動。由此可見，在溫度基本不變的條件下，系統(tǒng)長時間穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)束語

本文針對線性霍爾傳感器輸出信號的特點，從減小系統(tǒng)噪聲的角度出發(fā)，設(shè)計了低噪聲、高精度、低功耗的信號采集系統(tǒng)，同時實現(xiàn)了實時采集多個傳感器數(shù)據(jù)的功能。本設(shè)計已完成初版實物制作并應(yīng)用于相關(guān)課題。