宽温度范围下多通道高精度模拟量输出板卡设计.pdf

2024 年第 1 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor收稿日期:2023-06-09宽温度范围下多通道高精度模拟量输出板卡设计高晨程,洪应平,党立志,张会新中北大学微纳器件与系统教育部重点实验室 摘要:针对无人机综合测试领域对复杂温度环境下模拟量信号输出的精度以及通道数量的需求,设计了一种宽温度范围下多通道高精度模拟量输出板卡。系统采用 FPGA 作为主控单元,使用分辨率为 16 位的 D/A 转换器 AD5372,利用 DS18B20 温度传感器实时监测系统工作温度,进行模拟量输出的温度校准,最终实现在 085 条件下精准输出 64 路模拟量信号,输出范围在-1010 V。为提高通用性和标准性,系统支持千兆以太网、LVDS、RS422 3 种数据通讯接口,并配备上位机软件实现人机交互。经实际工程验证,在 085 条件下输出的模拟量信号误差均在0.5 mV 以内,符合系统设计指标,为无人机测试领域产生多通道高质量的模拟量信号提供了成熟可靠的工程化解决方案。关键词:无人机测试系统;温度校准;高精度;模拟量;FPGA中图分类号:TN710 文献标识码:ADesign of Multi-channel High-precision Analog OutputBoard in Wide Temperature RangeGAO Chencheng,HONG Yingping,DANG Lizhi,ZHANG HuixinKey Laboratory of Micro/nano Devices and Systems,Ministry of Education,North University of ChinaAbstract:Aiming at the requirements of the accuracy of analog signal output and the number of channels in complex temper-ature environment in the field of unmanned aerial vehicle comprehensive test,a multi-channel high-precision analog output board in a wide temperature range was designed.The system used FPGA as the main control unit,used a 16-bit D/A converter AD5372,used DS18B20 temperature sensor to monitor the working temperature of the system in real time,and calibrated the tem-perature of the analog output.Finally,64 analog signals were accurately output at 085,and the output range was-1010 V.In order to improve the versatility and standard,the system supported three data communication interfaces of Gigabit Ethernet,LVDS and RS422,and was equipped with host computer software to realize human-computer interaction.Through practical engi-neering verification,the error of the output analog signal under the condition of 085 is within 0.5 mV,which meets the sys-tem design index,and provides a reliable engineering solution for generating multi-channel high-quality analog signals in the field of unmanned aerial vehicle testing.Keywords:unmanned aerial vehicle testing system;temperature calibration;high precision;analog quantity;FPGA0 引言随着通信技术、计算机技术以及自主控制技术等关键技术的发展1,人们对无人机的研究进一步深入,无人机的应用领域也变得更加广泛。在无人机产品研制和使用的过程中,为了确保产品质量,必须开展相应的测试2,无人机测试系统的研究和设计是无人机研制过程中的一部分。作为无人机综合测试系统的基本单元,模拟量输出系统可按上位机配置的波形数据对传感器进行模拟,为飞控计算机注入测试数据,因此,对多通道高精度的模拟量输出系统的研究是十分必要的。传统的模拟量输出系统多采用软件方法进行标定补偿来提高输出信号的精度,没有考虑温度变化带来的输出误差3-9。由于设备所处的环境不同,温度会相应地发生变化,即使是在同一个环境下,一天之内不同的时间段室温也不尽相同。如果不能及时的进行校准,温度的变化会使输出量发生偏移,导致输出结果产生误差10。为了避免此类情况的发生,本设计考虑了温度变化对输出模拟量质量的影响,设计了一种可适应宽范围温度变化的多通道高精度模拟量输出板卡,并成功服务于实际无人机测试系统中。试验结果表明,本系统能够实现 64 路单独控制的-1010 V 的模拟量电压信号输出,通过温度校准使之可以适应 085 范围内的温度变化,并保证其输出电压52 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期的误差均控制在0.5 mV 以内。1 总体设计方案根据模块化设计思想并结合实际项目指标需求,本系统采用 FPGA 作为主控芯片,通过千兆以太网、RS422 或 LVDS 接口与其他设备交互数据和指令,可根据实际情况选择合适的接口;通过 SPI 串行接口控制 2 个 D/A 转换芯片 AD5372,每个 AD5372 芯片提供 32 路模拟量;每一路模拟量信号均通过由 LT6023组成的电压跟随器输出,以提高电路电压信号输出能力;为了适应不同工作环境下的温度变化,通过单总线接口与 DS18B20 温度传感器通讯,实时检测温度变化。除此以外系统还有电源管理模块,完成系统中各个器件所需电压的转换。系统的总体框图如图 1所示。图 1 系统总体框图2 关键硬件电路设计2.1 系统电源管理模块设计为确保系统正常运行,要求电源模块提供足够的功率,支持所有功能子模块的供电,同时系统内各子模块对电源的需求不同,需要电源模块提供符合标准的电压。在本模拟量输出板卡中,D/A 转换芯片、电压跟随电路均需要15 V 的双电源供电,D/A 转换芯片的基准电压电路需要 15 V 供电,提供 5 V 基准电压给 D/A 芯 片,温 控 芯 片 需 要 5 V 供 电,故 采 用TPS65131 电源芯片,该芯片能提供最高15 V 的双输出电源,而仅需 2.75.5 V 的供电电压。主控 FPGA电源轨通过 TLV62130 电源芯片进行供电。外部电源输入为+24 V 的直流电压,通过 TP5430 转换模块获得5 V 的输出电压给 2 块电源转换芯片供电。对于需要直流供电的设备,系统设计了 24 V 输入反接保护电路,其电路如图 2 所示。在电源正常工作期间,电流通过 MOS 管的体二极管流向负载端,给负载供电,MOS 管导通;当电源极性反转时,栅极电压变为正电压,并将 MOS 管关断,从而保护后级电路免受负电压影响。2.2 D/A 转换电路设计数模转换电路是直流量输出板卡的核心,其转换精度直接影响输出电压精度,因此选择合适的 D/A 芯片十分重要11。本设计要求输出 64 路、电压范围在图 2 输入反接保护电路原理图-10+10 V 的模拟量信号,综合考虑系统指标、芯片体积、功耗等方面的影响,系统搭载了 2 片 DAC 芯片AD5372 来实现此功能。AD5372 是一款电压输出型DAC 芯片,分辨率为 16 bit,支持最高 50 MHz 的标准串行 SPI 接口,简化电路及程序设计。每片 AD5372在单封装中集成 32 个 DAC 通道和 32 个输出放大器,可提供多种独立的输出电压范围,另外还有允许用户可编程失调和增益的系统校准功能,可根据输出误差调节寄存器值完成不同温度下的校准。D/A 转换电路包含除 DAC 芯片 AD5372 组成的转换电路本身以外,还需要 ADR435BRZ 组成高精度基准电压电路。在本设计要求中,输出电压范围为-10+10 V,输出跨度 20 V。根据芯片数据手册可知 AD5372 的输出电压跨度等于需提供的参考电压的4 倍,故选用 ADR435BRZ 提供 DAC 参考电压,电压值为 5 V,其电路原理图如图 3 所示。此外,为了增强输62 第 1 期高晨程等:宽温度范围下多通道高精度模拟量输出板卡设计 出电压信号的驱动能力、起到隔离和缓冲的作用,在D/A 转换电路后需要加入电压跟随电路,由于本设计输出 64 路模拟量信号,故共选用 64 片 LT6023 芯片组成电压跟随器。图 3 D/A 转换电路原理图2.3 温度采集电路设计根据设计要求,板卡要能在 085 条件下稳定输出,因此温度反馈是必要的。本设计选用 DS18B20温度传感器实现温度测量与反馈,其测温范围是-55+125,满足设计要求。DS18B20 使用单总线数据接口,有效降低硬件电路复杂性,其电路原理图如图4 所示。图 4 温度采集电路原理图2.4 数据通信电路设计无人机测试系统不仅需要通过工控计算机控制模拟量输出,同时还要与其他系统内的板卡通过RS422、LVDS 接口交互数据,故需要设计 3 路通信电路。选择 RTL8211E 协议芯片实现千兆以太网功能,以实现与工控计算机的通信。RTL8211E 为 QFN 封装,且无需变压器耦合,大大降低了板卡硬件设计复杂度,有效减小电路面积,更易实现板卡在机柜中的安装。RS422 选择 ADM3491 协议芯片实现,该芯片最高可实现 10 Mbit/s 的串行通信速度。对于 LVDS 接口,选 用 SN65LVDS388 实 现 接 收 功 能,选 用SN65LVDS389 实现发送功能。3 温度校准流程设计3.1 系统温度校准原理对于 AD5372 芯片,每个 DAC 通道具有 7 个数据寄存器,其结构如图 5 所示。根据控制寄存器中 A/B位的设置,实际 DAC 数据字可以写入 X1A 或 X1B 输入寄存器。如果 A/B 位为 0,数据写入 X1A 寄存器。如果 A/B 位为 1,数据写入 X1B 寄存器。此位是一个全局控制位,影响器件中的所有 DAC 通道,在本设计中,A/B 位设置为 0,数据写入 X1A 寄存器。每个DAC 通道还有一个增益寄存器 M 和一个偏置寄存器C,用于消除整个信号链的增益和偏置误差。X1A 寄存器的数据通过数字乘法器和加法器调整处理,后两者受寄存器 M 和 C 的内容控制。校准后的 DAC 数据存储在 X2A 寄存器中。同样,该乘法器和加法器也会对 X1B 寄存器的数据进行调整处理,并存储在 X2B寄存器中。X2A 和 X2B 寄存器输出的数据,通过一个多路复用器路由至最终 DAC 寄存器,并输出模拟量。图 5 单个 DAC 通道相关寄存器除上述寄存器以外,AD5372 芯片还具备组偏置寄存器 OFS,该寄存器对所有输出通道有效,利用该特性可对芯片输出做初步的调整,使输出电压处于设计要求范围附近,即粗标定。在本设计中,要求系统能在 085 范围内精准输出模拟量,故需要进行温度标定。利用芯片每个通道都具备增益寄存器和偏置寄存器的特性,系统在不同温度下调节两寄存器的值,使得输出模拟量在设计范围内,并将寄存器值与对应温度按输出通道写入上位机软件。在系统正常工作过程中,硬件电路实时向上位机反馈工作温度,上位机根据温度修改各输出通道的增益寄存器 M 和偏置寄存器 C,实现不同温度下的精准稳定输出。3.2 DAC 粗标定过程系统上电后需要进行初始化操作,逻辑控制单元会首先通过 SPI 串行接口,对 AD5372 芯片的组偏置寄存器 OFS 和输入数据寄存器 X1A 写入相应初始化数据,以实现板卡各输出通道初始状态为 0 V,且输出范围-10 +10 V。DAC 输出电压的关系如式(1)所示。72 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期Vout=4Vref216DACCODE-(OFFSETCODE4)(1)式中:Vref为参考电压,Vref=5 V;DACCODE为 AD5372芯片的输入数据寄存器 X2A 的 16 位数据,每个 DAC通道一个,存储的值为各个通道的偏置寄存器 C 和增益寄存器 M 校正后存储最终校准的 DAC 数据,既不可读也不可直接写;OFFSETCODE为写入组偏置寄存器OFS 的 14 位数据。DACCODE的数值应与输出电压线性对应,故当DAC 输出 0 V 时,应有式(2):DACCODE=DACCODEmin+DACCODEmax2(2)式中:DACCODEmin为 DAC 的最小码值;DACCODEmax为DAC 的最大码值。将 DACCODEmin=0 x0000、DACCODEmax=0 xFFFF 代入式(2),可得 DACCODE=0 x7FFF,再将 DACCODE=0 x7FFF和 Vref=5 V 代入式(1),可得偏置码 OFFSETCODE=0 x1FFF。组偏置寄存器 OFS 对所有通道有效,上述过程仅使 DAC 输出大致符合要求,还需通过各个通道的偏置寄存器 C 和增益寄存器 M 进一步进行精细标定。3.3 DAC 细标定原理AD5372 芯片提供与通道一一对应的偏置寄存器C 和增益寄存器 M,可实现对单个通道的精细标定。完成粗调工作后,假设得到 DAC 输出的实际信号曲线和理想曲线如图 6(a)所示,二者的误差可以分为偏置误差和增益误差。偏置误差是指当输入 DACCODE为0 x0000,即理论输出电压值应为-10 V 时,实际输出值与理论输出值的差值。增益误差是指当输入 DACCODE为 0 xFFFF,即理论输出电压值为 10 V 时,实际输出值与理论输出值的差值,增益误差不包括偏置误差。为了达到高精度的输出结果,需要对输出误差进行校准,校准过程如下:首先进行偏置误差校准:将输出设为最低码值,即 0 x0000,此时理论输出电压值为-10 V;测量实际输出电压,将其与理论值进行比较,由此便得到零电平误差;计算与该误差相当的 LSB 数,将此数加到偏置寄存器 C 的默认值中。完成偏置误差校准之后的效果如图 6(b)所示。完成偏置误差校准后,再进行增益误差校准:将输出设为最高码值,即 0 xFFFF,此时理论输出电压值为+10 V;测量实际输出电压,将其与理论值进行比较,由此便得到增益误差;计算与该范围误差相当的LSB 数,从增益寄存器 M 的默认值中减去此数。完成增益误差校准后的效果如图 6(c)所示,即可得到与理想曲线重合的实际曲线,完成了误差校准。(a)DAC 输出曲线图(b)偏置误差校准后曲线图(c)增益误差校准后曲线图图 6 精细标定过程 3.4 温度标定过程基于细标定原理,在 25 工作环境下,对某一输出通道进行标定并保存标定信息。使该通道工作在085 下,分别测量在不同温度下其输出的零刻度电压(-10 V)与满刻度电压(+10 V),结果如图 7 和图 8 中的实线所示。可以看出随着温度变化,在非25 工作环境下,其输出会有超出误差范围的情况。为了减小其他温度下的输出误差,需要进行温度标定。温度标定的具体流程如下:1)将板卡上电放置温箱中,并引出第一输出通道测试线缆至高精度万用表;2)设置温箱温度为 0,并保持 3 min;3)设置电压值为-10 V,读取万用表示数,根据偏置误差校准原理,计算偏置寄存器 C 的值并保存;4)设置电压值为 10 V,读取万用表示数,根据增益误差校准原理,计算增益寄存器 M 的值并保存;5)以 5 为步进修改温箱温度,重复步骤 2)和步骤 3),直至完成 085 的标定;6)更改输出通道,重复步骤 1)步骤 5),完成所有通道标定,并将标定数据保存在上位机中。完成温度标定后,其结果如图 7 和图 8 中的虚线所示,可以看出,标定后输出电压在设计要求温度范围内误差均小于0.5 mV。82 第 1 期高晨程等:宽温度范围下多通道高精度模拟量输出板卡设计 图 7 指令电压-10 V 时温度-输出电压曲线图 8 指令电压 10 V 时温度-输出电压曲线4 测试结果和分析为验证校准的最终效果,以 5 V 为步进,在全温度范围下进行输出测试,测试环境如图 9 所 示。利 用CTPS701B 高低温快速温度变化试验箱,配合 34410A 高精度万用表测量输出数据,通过上位机进行指令发送,控制输出及校准。上位机软件通过 Visual Studio 平台进行开发,编程语言为 C#,上位机界面如图 10 所示。图 9 温度实验测试环境图 10 上位机界面通过试验测试系统的输出电压,测试结果如表 1所示。结果表明本系统在 0 85 的温度变化范围内,所有的输出电压误差均小于0.5 mV,符合设计要求。5 结束语本文从适应宽范围温度变化的角度出发,设计了一款应用于无人机测试系统中的多通道高精度模拟量输出板卡,介绍了板卡主要的硬件电路组成、温度校准的原理和实现过程,通过实验验证了板卡的可行性,并且测试结果反映了板卡的输出指标达到预期的范围。设计的板卡已经安装到了无人机测试系统的机柜中,通过了整机上电测试和联调,相关产品已交付使用。实践证明本设计可以应用于生产使用中,具备良好的实用价值。92 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期表 1 输出电压结果V温度/指令电压/V-10-505100-10.000 04-5.000 01-0.000 195.000 0110.000 315-9.999 79-4.999 700.000 144.999 6010.000 2910-10.000 24-4.999 870.000 054.999 9710.000 1415-9.999 68-5.000 11-0.000 175.000 149.999 8720-9.999 84-5.000 200.000 255.000 4610.000 3125-9.999 91-4.999 510.000 434.999 9910.000 0330-9.999 86-5.000 170.000 084.999 729.999 8535-10.000 12-4.999 860.000 094.999 5410.000 4340-10.000 28-4.999 61-0.000 055.000 0110.000 3745-9.999 58-5.000 36-0.000 084.999 5810.000 0550-10.000 42-4.999 87-0.000 124.999 9010.000 1255-10.000 27-4.999 67-0.000 194.999 8210.000 0860-9.999 98-4.999 670.000 235.000 459.999 7065-9.999 93-5.000 18-0.000 264.999 539.999 8070-9.999 94-5.000 430.000 465.000 509.999 9775-9.999 80-4.999 710.000 485.000 139.999 7380-10.000 01-5.000 320.000 434.999 6810.000 3485-10.000 01-4.999 540.000 195.000 149.999 69参考文献:1 原兵兵.基于 FPGA 飞行控制计算机高精度模拟量单元研究D.南京:南京航空航天大学,2017.2 陈君富,马刚,陈昊.无人机自动综合测试系统设计C/中国航空工业技术装备工程协会,中国航空学会测试技术分会.第十八届中国航空测控技术年会论文集,青岛,2021.北京:测控技术杂志社,2021:303-309.3 陶力维,景波云,张雷.基于两点校准的模拟量输出现地装置设计J.工业仪表与自动化装置,2020(5):134-137.4 刘阳,李兴建.应用于 BMU 测试的多路模拟量输出板卡设计J.电子测试,2020(5):31-34.5 胡晓捷,焦新泉,贾兴中.基于 FPGA 的高精度模拟量输出卡设计J.电子测量技术,2021,44(13):156-160.6 张剑平.工业仪表多功能模拟量输出电路研究J.仪器仪表学报,2014,35(S1):169-173.7 徐燕,毛师彬,汤永东,等.基于 FPGA 的多通道模拟量采集/输出 PCI 板卡的研制J.测控技术,2018,37(12):119-123.8 夏好广.基于 STM32 的多功能模拟量输入输出系统设计J.铁道机车车辆,2018,38(1):19-22.9 王季刚,宣科,刘功发,等,基于 LTC1821 的高精度模拟量输出卡的研制J.核电子学与探测技术,2007(6):1091-1094.10 陈江陵,陈军方.基于单电源真零点的高精度模拟输出设计J.仪表技术,2022(4):11-13.11 梁孟享,胡聪,盘书宝.基于 FPGA 的高性能信号源模块设计J.国外电子测量技术,2012,31(4):64-67.作者简介:高晨程(1997),硕士研究生,主要研究方向为电路与系统。E-mail:1604435762 通信作者:张会新(1980),副教授,博士,主要研究方向为柔性分布式光纤传感技术研究、抗高过载大容量高速固态存储测试技术、特殊环境下集成测量仪器研究。E-mail:zhanghx (上接第 5 页)3 张琦,王洪斌,姜睿,等.基于激光多普勒测振的叶片振动特性试验J.航空发动机,2022,48(1):76-82.4 LING X,YANG S X,GAN C B.Torsional vibration measure-ments on rotating shaft system using laser doppler vibrometerJ.Optics and Lasers in Engineering,2012,50(11):1596-1601.5 李志凤,赵登峰,马国鹭,等.基于激光多普勒效应的转子振动综合测量J.激光杂志,2015(3):4.6BELL J R,ROTHBERG S J.Rotational vibration measure-ments using laser doppler vibrometry comprehensive theory and practical application J.Journal of Sound and Vibra-tion,2000,238(4),673-690.7 高欣.基于 CCD 技术的汽轮发电机组扭振测量方法研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.8 王运付,杨若夫,杨春平,等.基于干涉条纹移动量的非接触振动测量研究J.光电工程,2012,39(11):17-23.9XU S,XING F,WANG R,et al.Vibration sensor for the health monitoring of the large rotating machinery:Review and outlookJ.Sensor Review,2018,38(1):44-64.10 姚灵,王欣欣.电涡流传感技术的原理与应用J.仪表技术,2022(5):1-4.11 荣锋,韩信,郭翠娟.基于电涡流传感器的微位移测量系统的设计J.仪表技术与传感器,2020(9):12-18.12 王宁,杨拥军,任臣,等.一种振动测量用电容式硅基 MEMS加速度计J.微纳电子技术,2023,60(1):108-115.13 陈雪冬,孙飞,李强,等.多方向振动测试的石英挠性加速度计高阶误差系数辨识J.传感器与微系统,2016,35(11):51-53.14 郑文炜,郑术力.压缩式压电加速度传感器瞬变温度灵敏度测试建模分析J.环境技术,2022,40(1):98-102.15 毕超,樊楚一,张超,等.磁电式振动速度传感器的性能测试与验证研究J.航空精密制造技术,2022,58(3):14-18.16 周振华,傅逸轩,杜荣华.基于负刚度磁弹簧的超低频振动速度传感器的设计与性能分析J.仪表技术与传感器,2021(10):23-31.17 李志鹏,于东洋,张超,等.磁聚焦式电磁扭矩传感器线圈优化设计J.森林工程,2020,36(6):78-86.作者简介:刘杰(1999),硕士研究生。主要研究方向为电磁式振动传感器。E-mail:1092541557 通信作者:李志鹏(1963),博士,教授,主要研究方向为智能传感器。E-mail:984764220 03