文獻標識碼： B
文章編號： 0258-7998(2014)05-0077-04
高精度磁傳感器用于在大的地球背景磁場下，探測微弱的目標磁場變化信號，需要使用高分辨率、低功耗的模數轉換器(ADC)。本文介紹了一種基于Σ-Δ模數轉換器的高精度磁傳感器數據采集系統的設計，該數據采集系統可以采集、處理和發送磁傳感器前置模擬電路發送來的X、Y、Z三路模擬信號。與其他數據采集系統相比，該系統具有分辨率高、轉換速度快、功耗低等優點。文中給出系統各模塊電路和軟件的設計，并給出了系統的性能測試結果，在此基礎上對整個系統進行評價。
1 主要器件選擇
本文討論的高精度數據采集系統應用于磁傳感器模擬信號的采集和處理。磁傳感器接收外界的磁信號,輸出相應的模擬信號，數據采集系統負責采集此模擬信號，并處理、發送。為了獲得磁傳感器輸出的微弱信號，數據采集系統必須符合高精度、低功耗、規模小、轉換速率快等設計指標。
常用的模數轉換器類型主要有積分型ADC、逐次逼近型ADC、并行/串并行比較型ADC和Σ-Δ型ADC等。積分型ADC由于轉換精度依賴于積分時間，因此轉換速率極低。逐次比較型ADC在低分辯率(<12位)時價格便宜，但高精度(>12位)時價格很高。并行/串并行比較型ADC轉換速率極高，但電路規模極大，價格高。Σ-Δ型ADC具有分辨率高、轉換速度快、電路規模小、功耗低、價格便宜等優點，能夠很好地達到設計要求。在眾多的Σ-Δ型ADC中，AD7192抗干擾能力強，接口方便，價格低，因此選擇AD7192作為模數轉換芯片。AD7192 [1]是一款適合高精度精密測量的低噪聲、24位Σ-Δ 型模數轉換器 (ADC)。由于采用Σ-Δ技術[2]，使得整個A/D芯片具有精度高、抗干擾能力強、噪聲小和線性讀取好的優點，在片內功能全開的情況下，電流為4.35 mA。
微控制器對整個系統的功耗和性能起著決定性的作用，為達到設計要求，必須選用功耗低、性能穩定的微處理器。在本系統中微控制器采用PIC24FV32KA304[3],該器件采用了16位改進型哈佛架構，引入了Microchip超低功耗的理念，該器件帶有內部時鐘，同時具有打盹模式操作和基于指令的三種節能模式,這一系列的功能，大幅度地降低了器件的功耗。
2 系統組成與各部分功能
本系統設計主要分為硬件設計和軟件設計兩部分。其中硬件設計主要包括數據采集模塊、微控制器、電源模塊、數據發送模塊等。軟件設計主要包括各器件的初始化模塊、數據采集模塊、數據發送模塊、數據顯示模塊等。系統結構框架圖如圖1所示。
首先在微控制器PIC24FV32KA304的控制下，3片AD7192芯片分別將采集到的模擬信號轉換成數字信號，然后微控制器PIC24FV32KA304讀取數字信號，并處理此數字信號，將其轉化為所需要的數據，最后微控制器通過串口將數據發送到上位機，在上位機上通過VB顯示、處理和分析，實現目標磁場變化信號的顯示。
3 系統硬件設計
3.1 數據采集模塊
數據采集模塊由3片AD7192和外圍電路組成。如圖2所示，X路輸入為待轉換的模擬信號，AINCOM接地。AD7192以偽差分模式采集外部的模擬信號。信號與芯片的AIN1腳連接，信號的參考地與芯片的AINCOM連接，輸入的模擬電壓值為兩者之差。偽差分輸入減小了信號源與設備的參考地電位(地環流)不同所造成的影響，提高了測量的精度。AD7192的15腳REFIN1+為正基準輸入，16腳REFIN1-為負基準輸入，REFIN1+輸入可以是AVDD與AGND+1 V之間的任意值，REFIN1-輸入可以是AGND與AVDD-1 V之間的任意值，基準電壓(REFIN1+-REFIN1-)最大為AVDD。在此設計中，REFIN1+接2.048 V外部標準電壓，REFIN1-直接與地相連，基準電壓值即為2.048 V。AD7192與PIC24FV32KA304之間通過SPI串行通信。AD7192 的SPI串行接口包含3個信號：DIN、SCLK和DOUT/RDY。DIN 線路用于將數據傳輸至片內寄存器中；DOUT/RDY 則用于從片內寄存器中獲取數據；SCLK 是器件的串行時鐘輸入，所有數據傳輸(無論是 DIN 上還是DOUT/RDY 上)均相對于 SCLK 信號進行。CS用于選擇器件，設計中有3片AD7192, 微控制器在讀取轉換結果時，必須使用片選信號CS來選擇不同AD7192。
3.2 微控制器
微控制器通過SPI串行接口向AD7192發送指令和讀取數據。其中微控制器的SDO1、SCK1、SDI1分別與AD7192的DIN、SCLK 和DOUT/RDY相連。為了降低系統的功耗，微控制器的振蕩器選用PIC24FV32KA304的內部帶后分頻的8 MHz 快速RC振蕩器，在軟件中，可以設置此振蕩器的分頻系數,使振蕩頻率降低為2 MHz。從微控制器的OSCO引腳輸出時鐘信號CLKIN作為AD7192的振蕩源，連接在AD7192的MCLK2引腳上。系統工作時，微控制器PIC24FV32KA304將初始化命令發送至AD7192,AD7192接收到初始化命令后，開始工作，將采集到的模擬信號轉換成數字信號。微控制器等待上位機發送的報文頭，當接收到報文頭以后，微控制器判斷報文頭是否正確，如果錯誤，微控制器繼續等待接收報文頭；如果正確，則微控制器讀取AD7192轉換后的數字信號并處理。處理結束后微控制器將數據發送給上位機顯示軟件，在上位機上通過VB顯示、處理和分析，發送結束后微控制器和AD7192進入休眠，以降低功耗。休眠一段時間(大約400 ms)后，喚醒微控制器和AD7192，進入下一次轉換。PIC24FV32KA304與AD7192的連接電路如圖2所示，圖中X為輸入的模擬信號。
3.3 電源模塊
該系統采用ADP150作為穩壓源，為系統提供3.3 V的穩定電壓。PIC24F32KA304器件引腳的最大電壓為3.6 V，不能承受5 V 電壓。故選用3.3 V電壓。ADP150是一款超低噪聲(9 μV)、低壓差線性調節器，采用2.2 V至5.5 V電源供電，電路如圖3所示。
3.4 數據發送模塊
微控制器與上位機之間采用RS-485接口方式進行數據傳輸。圖5為數據發送模塊電路圖。圖中MAX3471的/RE(2)、DE(3)引腳并接在一起由微控制器控制，當DE/RE為低電平時，處于接收狀態，A、B的差分信號經MAX3471轉換成單端信號由微控制器的串行口線RXD接收；當DE/RE為高電平時，微控制器串口線TXD發送出的數據經MAX3471轉換為差分信號發送出去。在差分線A、B上并接120 Ω的終端電阻，用以吸收信號反射。
為了減小系統的體積，在設計印制電路板時，采用四層板。為了降低系統噪聲，提高系統的穩定性和精度，在元器件布局和電路板走線時，需要遵循以下規則[4]：
(1)電路板模擬部分與數字部分分離，并限制在電路板的一定區域內。當距離很近時，中間要用地線隔開。
(2)元器件在整個板面上應緊湊分布，盡量縮短元器件間的布線長度。屬于同一模塊的器件，要就近放置。
(3)加寬電源線和地線。數字地和模擬地分開，在電源入口處單點匯集。
(4)輸入和輸出盡量避免相鄰平行，電路板相鄰兩個信號層的導線應相互垂直、斜交或彎曲走線。印制導線拐角一般選擇45°，或采用圓弧拐角。
4 系統軟件設計
本系統軟件主要包括初始化模塊、數據采集處理模塊、數據發送模塊、數據顯示模塊等。其中初始化模塊、數據采集處理模塊、數據發送模塊是在MPLAB IDE編譯器上用C [5]語言編寫，數據顯示模塊在Visual Basic[6]環境下編寫。
初始化模塊，主要是系統各個功能模塊初始化，包括微控制器端口初始化，UART串口初始化，SPI初始化，AD7192初始化等，初始化結束后，系統即進入工作狀態，采集并轉換模擬信號。轉換結束， 輸出轉換輸出碼[1]，ADC配置為單極性工作模式，輸出碼為自然(直接)二進制碼；零差分輸入電壓對應的碼為000……000，中間電平電壓對應的碼為100……000，滿量程輸入電壓對應的碼為111……111。任意模擬輸入電壓的輸出碼可以表示為式(1)：
輸出碼=(2N×AIN×Gain)/VREF (1)
其中，AIN為模擬輸入電壓，Gain為電壓增益設置，此處設置為1，VREF為參考電壓(2.048 V)，N=24。
數據采集處理模塊，主要是編程使微控制器通過SPI通信讀取AD7192的轉換結果，并進行簡單處理，得到需要的數據。AD7192轉換結束后，產生一個32位的數據，其中高8位是狀態位，屏蔽高8位的狀態位后，剩下的24位數據即為所得的數據位(輸出碼)。由任意模擬輸入電壓輸出碼表達式反推可得模擬電壓AIN。
在數據發送模塊中，微控制器通過UART串口通信，將所得的模擬電壓值AIN通過UART通信發送到上位機，在上位機上通過數據顯示模塊顯示、處理。然后微控制器和AD7192進入休眠狀態，等待下一次轉換。程序框圖如圖6所示。
5 系統性能測試
5.1 系統功耗測試
由于AD7192和PIC24FV32KA304自身功耗比較低，在設計中，又使用了單片機內部振蕩器作為AD7192和PIC24FV32KA304的時鐘信號，并且工作結束即讓AD7192和PIC24FV32KA304進入休眠狀態，所以系統的功耗很低。通過數字電流表顯示,系統平均功耗為0.8 mA,低于系統設計要求的1 mA。
5.2 系統噪聲測試
在輸入模擬電壓為零的情況下，上位機Visual Basic上顯示的圖形即為系統噪聲圖。圖7為在Visual Basic上顯示的X路數據采集系統的噪聲(Y路、Z路噪聲和X路基本一致)，其中橫坐標表示測試時間，一格為1 min。縱坐標表示數據采集系統的自噪聲，單位為μV，從圖中可以看出系統自噪聲峰值基本在10 μV左右，低于系統設計要求的20 μV。
本系統采用了內置低噪聲、24位Σ-Δ 型模數轉換器AD7192，保證了系統的高精度、低噪聲。采用微控制器PIC24FV32KA304內部快速RC振蕩器作為微控制器和AD7192的振蕩器，有效降低了系統的功耗。多次測量結果顯示，該系統完全滿足了高精度、低噪聲、低功耗的要求, 可以作為磁傳感器的數據采集系統使用。
參考文獻
[1] Analog Device. AD7192. 4.8 kHz, Ultralow Noise， 24 bit Sigma-Delta ADC with PGA[Z]. 2009：1-38.
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[3] PIC24FV32KA304.General Purpose，16-Bit Flash Microcon trollers with XLP Technology[Z]， 2002：165-172.
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[5] 譚浩強. C程序設計[M]. 北京：清華大學出版社,2005:281-318.
[6] 譚浩強.Visual Basic程序設計教程[M].北京：清華大學出版社，2006:13-47.