傳感器自動(dòng)修調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖 峰，張 彬，劉澤棟，孫曦東

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引言

隨著市場(chǎng)對(duì)傳感器電路性能的要求日益增高，傳感器本身的設(shè)計(jì)與制造面臨著越來越嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了彌補(bǔ)電路設(shè)計(jì)期望與芯片最終性能之間的差距，近年來，針對(duì)大規(guī)模集成電路的修調(diào)技術(shù)不斷得到發(fā)展[1]，尤其是隨著工藝制造技術(shù)的進(jìn)步和電子產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代，應(yīng)用的系統(tǒng)越來越復(fù)雜，越來越多的傳感器在消費(fèi)性電子、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)控制等領(lǐng)域都不可或缺[2]，這也提高了調(diào)修技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度?？焖偻瓿蓚鞲衅鞯男拚{(diào)工作，使其滿足在不同場(chǎng)合的性能要求就十分重要[3]。為此，設(shè)計(jì)一款傳感器自動(dòng)修調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。嘗試在現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展條件下進(jìn)一步盡可能地提高針對(duì)傳感器電路芯片的修調(diào)效果。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從傳感器采集的參數(shù)以及傳感器自身的待修調(diào)參數(shù)入手，進(jìn)行全面的分析，得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。傳感器不僅采集溫度信號(hào)，還采集電壓信號(hào)，這就需要系統(tǒng)能提供標(biāo)準(zhǔn)的溫度環(huán)境和較高精度的電壓信號(hào)。傳感器除了需要修調(diào)自身的溫度和電壓參數(shù)外，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓也需要進(jìn)行校準(zhǔn)，這就需要系統(tǒng)能正確采集這個(gè)基準(zhǔn)電壓并完成校準(zhǔn)工作。為了提高修調(diào)效率，采用尋址的方式（傳感器支持8個(gè)不同的物理地址連接方式），同時(shí)對(duì)8個(gè)傳感器進(jìn)行修調(diào)操作。按此思路設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的總體原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖中，通訊控制板主要由主控模塊、DAC模塊、ADC模塊、電源模塊、隔離模塊和接口構(gòu)成。主控模塊通過通訊接口接收來自上位機(jī)的通訊命令，并對(duì)上位機(jī)的命令進(jìn)行解析，然后根據(jù)命令要求控制ADC模塊、DAC模塊和電源模塊2，或者通過隔離模塊操作待修調(diào)傳感器。外部供電接口提供通訊控制板的供電，電源模塊1給主控模塊、ADC模塊、DAC模塊、隔離模塊A側(cè)供電；電源模塊2給隔離模塊B側(cè)，即待修調(diào)傳感器供電。電源模塊2受主控模塊控制，可以給隔離模塊B側(cè)輸出兩種不同規(guī)格的供電電壓，方便傳感器的修調(diào)和熔絲[4]。

修調(diào)電路板主要由待修調(diào)傳感器及其外圍電路和接口構(gòu)成。整個(gè)電路板放到一個(gè)恒溫環(huán)境中，對(duì)應(yīng)圖1中的虛線框部分，比如恒溫箱或油槽，目的是給傳感器提供一個(gè)穩(wěn)定的工作環(huán)境，便于后續(xù)的修調(diào)工作。通過接口1傳感器輸出基準(zhǔn)電壓到通訊控制板；接口2則是傳感器接收來自通訊控制板的電壓信號(hào)。串行接口用來為傳感器接收來自通訊控制板的控制信號(hào)并反饋數(shù)據(jù)給通訊控制板。

在上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)修調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)配置和讀、寫操作，以及對(duì)反饋數(shù)據(jù)的計(jì)算、記錄和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)修調(diào)系統(tǒng)的閉環(huán)操作，最終完成一鍵修調(diào)工作。

3 硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)部分選用STM32F1系列的MCU，電路圖如圖2所示[5]。此款產(chǎn)品包括ISP程序下載接口X4，使用了MCU串口1的硬件資源。復(fù)位電路由按鍵S5及電阻R27、電容C21組成。下載使能由跳線W1及電阻R28和R29組成，以USB1作為與上位機(jī)的通訊接口。USB轉(zhuǎn)UART的設(shè)計(jì)采用CH340G電路來實(shí)現(xiàn)。

圖2 單片機(jī)電路原理圖

DAC模塊采用TI公司的16位電壓輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC8568[6]。它的積分非線性INL為4LSB；偏移誤差最大值為±4mV；偏移誤差漂移典型值為±0.5μV/℃。電路的串行接口與標(biāo)準(zhǔn)SPI接口兼容，有8個(gè)輸出通道，包含一個(gè)2.5V、2×10-6/℃的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，初始精度為0.004%。為了保證輸出電壓的穩(wěn)定性，后端連接了低噪聲、軌到軌的精密運(yùn)放AD8656，它的低偏移電壓最大值為250μV，低偏移誤差漂移典型值為0.4μV/℃。

ADC模塊采用ADI公司的16位無失碼的SAR型數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7689[7]，積分非線性INL為4LSB，電路采用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口，可選擇單極性單端輸入、差分輸入或偽雙極性輸入，支持最多8個(gè)通道的輸入，內(nèi)部可選2.5V或4.096V基準(zhǔn)源。為了保證采集的準(zhǔn)確性，輸入給AD7689的電壓信號(hào)前端連接了低噪聲、軌到軌的精密運(yùn)放AD8656，其低偏移電壓最大值為250μV，低偏移誤差漂移典型值為0.4μV/℃。設(shè)計(jì)選用了AD7689的內(nèi)部基準(zhǔn)源，鑒于傳感器在常溫下修調(diào)，內(nèi)部基準(zhǔn)源的精度能滿足要求。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，用臺(tái)式萬用表對(duì)AD的輸出進(jìn)行了校準(zhǔn)，相應(yīng)地在軟件算法中也做了補(bǔ)償。

4 軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件采用C語言編寫，開發(fā)工具選用Keil_V5.23版本，運(yùn)行于以STM32F103為核心的硬件平臺(tái)上。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)由系統(tǒng)初始化、串口通訊、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)處理等部分組成。系統(tǒng)初始化主要包括I/O口初始化、ADC初始化、DAC初始化和串口初始化等；串口通訊部分主要完成與上位機(jī)通訊協(xié)議包的解包與組包；數(shù)據(jù)采集部分主要完成對(duì)溫度和電壓數(shù)據(jù)的采集與處理；參數(shù)處理主要完成電路修調(diào)參數(shù)的修調(diào)與熔絲操作。

傳感器基準(zhǔn)電壓修調(diào)流程如圖3所示。電路的工作條件為25℃下供電3.3V。

上位機(jī)執(zhí)行基準(zhǔn)電壓開始修調(diào)，通過通訊接口給通訊控制板發(fā)送讀基準(zhǔn)電壓命令，由通訊控制板的主控模塊解析命令，然后通過隔離模塊和串行接口操作待修調(diào)傳感器輸出基準(zhǔn)電壓。

傳感器的基準(zhǔn)電壓通過接口1輸出給通訊控制板的ADC模塊，主控模塊操作ADC模塊讀取基準(zhǔn)電壓后組協(xié)議包，通過通訊接口反饋給上位機(jī)。

圖3 傳感器基準(zhǔn)電壓修調(diào)流程圖

上位機(jī)解析命令，計(jì)算讀取值與標(biāo)準(zhǔn)值的差值，判斷差值是否在誤差范圍內(nèi)，如果差值在誤差范圍內(nèi)，主控模塊操作電源模塊2輸出熔絲所需規(guī)格電壓，執(zhí)行熔絲操作，結(jié)束基準(zhǔn)電壓修調(diào)工作；如果差值不在誤差范圍內(nèi)，上位機(jī)會(huì)根據(jù)差值情況計(jì)算修調(diào)碼，并通過通訊接口給通訊控制板發(fā)送寫修調(diào)碼命令，通訊控制板的主控模塊解析命令，通過隔離模塊和串行接口操作待修調(diào)傳感器寫入修調(diào)碼，接著再讀取寫入修調(diào)碼后的基準(zhǔn)電壓，循環(huán)執(zhí)行上述步驟，直到差值落在誤差范圍內(nèi)。

最后主控模塊操作電源模塊2輸出熔絲所需規(guī)格電壓，執(zhí)行熔絲操作，至此，結(jié)束基準(zhǔn)電壓修調(diào)工作。修調(diào)過程的數(shù)據(jù)都會(huì)自動(dòng)記錄和存儲(chǔ)，供用戶調(diào)出分析之用。通過編程，以上修調(diào)工作實(shí)現(xiàn)一鍵操作，完成閉環(huán)修調(diào)。

傳感器其他參數(shù)的修調(diào)原理與上述過程類似，不同之處在于，修調(diào)溫度的標(biāo)準(zhǔn)值由恒溫箱或油槽提供，修調(diào)電壓的標(biāo)準(zhǔn)值則由16位DAC模塊提供。

上位機(jī)軟件采用VB編寫[8]，運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)。修調(diào)軟件與實(shí)際硬件環(huán)境配合，最多可以實(shí)現(xiàn)8個(gè)電路同時(shí)修調(diào)熔絲工作，大大提高了修調(diào)效率。修調(diào)系統(tǒng)支持一鍵閉環(huán)操作，既能保證快速修調(diào)，又能減少人為操作引入的誤差。軟件可以根據(jù)電路的實(shí)際需求設(shè)置不同的標(biāo)準(zhǔn)值，還可以選擇單次數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。上位機(jī)軟件操作界面如圖6所示。上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)顯示界面如圖7所示。

圖6 上位機(jī)軟件操作界面

圖7 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)顯示界面

5 結(jié)束語

傳感器電路修調(diào)技術(shù)的廣泛應(yīng)用在相當(dāng)程度上迎合了市場(chǎng)對(duì)高精度傳感器電路的大量需求。在快速高效完成修調(diào)工作的需求之下，根據(jù)傳感器電路性能指標(biāo)要求的不同，充分考慮設(shè)計(jì)、工藝和測(cè)試復(fù)雜程度，從系統(tǒng)、硬件、軟件三方面做了論述。經(jīng)調(diào)試，所設(shè)計(jì)的傳感器自動(dòng)修調(diào)系統(tǒng)不僅能精確地對(duì)單個(gè)電路進(jìn)行修調(diào)熔絲，還能夠滿足市場(chǎng)對(duì)多個(gè)電路同時(shí)進(jìn)行修調(diào)熔絲的需求，提升了效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。