摘要:说明了位移计的作用;详细介绍了核心芯片ADS1212的结构、原理及使用方法;描述了高精度位移测试仪的设计全过程,给出了整体框图、部分的设计电路图和程序模块。
1 引言
高精度位移测试仪可用于精确测量物体的位置、长度和厚度的变化。本文利用美国BB公司推出的ADS1212作为模/数转换器,设计了一种位移测试仪。该测试仪的测量范围±0.5 mm,线性度±0.05 %,灵敏度10000mv/mm,输出电压0~5V,精度0.1%,动态频率0~200Hz,灵敏度漂移:零点:0.01%/℃、满刻度:0.05%/℃,工作温度-10℃~+50℃。
2 ADS1212器件介绍
它是一种动态范围宽、单+5V电源供电、具有24位精度的器件。ADS1212主要用于工业过程控制、仪器仪表、色谱分析、灵巧传感器、便携式仪表、称重仪器、压力及位移传感器、高分辨率测量等场合。
2.1 特点及结构
ADS1212特点
①采用差动输入方式(这对于低电平电压信号接入尤为有利)。
②采用Σ-Δ结构(可以得到宽的动态范围和24位无差错编码)。
③采用低噪声增益可编程放大器(利于扩展动态范围,提高分辨率)。
④内部有三阶数字滤波器(可以滤除电源纹波干扰和其它干扰)。
⑤采用了多种内部自校正技术(用于校正失调电压,校正满刻度误差)。
⑥内部集成有微处理器(用来管理与控制转换器的工作程序,实现转换参数的可编程控制)。
⑦转换速率为10Hz时有效分辨率可达23位,采样速率为1KHz时有效分辨率也有20位。
⑧工作温度范围宽(—40~ +850C),功耗低(只有几mW)。
⑨可使用内部或外部的参考电压。
ADS1212采用18脚DIP封装,结构如图1所示,其内部由可编程增益放大器(PGA)、二阶Σ-Δ调制器、调制控制单元、可编程数字滤波器、微控制器单元、寄存器组(指令寄存器、命令寄存器、数据寄存器、校准数据寄存器)、一个串行口、一个时钟电路和一个内部电压基准等组成。
2.2 主要功能寄存器
ADS1212内部有5个寄存器,其中指令寄存器和命令寄存器控制转换器的工作,数据输出寄存器包含最近的转换结果,失调和满刻度校正寄存器用来存放对内部转换结果数据进行校正。指令寄存器(INSR)是一个8位的寄存器,对ADS1212的每一步操作都是从它开始的。命令寄存器(CMR)是32位寄存器,通过对它的操作可以设置ADS1212的各种工作模式。数据输出寄存器(DOR)为24位寄存器,用于存放最新的转换结果。只有在DRDY信号为低的情况下,DOR中的数据才是有效数据。如果在1/fDATA—12*(1/fXIN)时间内没有读出DOR中的数据,那么它将会被新的数据所覆盖。DOR中的输出的数据格式可以用补码形式或用原码形式表示,这可用设置CMR3的DF位来实现。失调校准寄存器(OCR)和满刻度校正(FCR)用于对转换结果进行校正。它们都是24位的寄存器,可以在初始化中对其写入,以便用于校准输出数据[1]。
3 系统设计
3.1 硬件关键电路
系统的组成框图如图2所示。
3.1.1 电源
由于系统采样精度高,所以要求电源电路的噪声必须特别小。本系统采用的是外部基准电压源,用ADR291作为2.5V基准电压输出,用REF196作为3.3V参考电压输入,这样降低了ADS1212的功耗(约降低3mA),用MAX633作+5V电压稳压芯片,MAX664作—5V电压的稳压芯片。为满足ADS1212的特殊要求设计的电源电路如图3所示:
3.1.2 信号输入电路
位移传感器又称为线性传感器,它分为电感式,差动变压器式,电容式,光电式,超声波式,霍尔式等。这里选用的是差动变压器式WYDC-0.5DA型直流位移传感器,由中国水利水电科学研究院仪器研究所研制。它的性能指标:测量范围±0.5 mm,线性度±0.05 %,灵敏度10000mv/mm,外形尺寸170×15mm,输出电压0~5V,精度0.1%,动态频率0~200Hz,灵敏度漂移:零:0.01%/℃、满刻度:0.05%/℃,工作温度-10℃~+50℃,重量95g,工作电源为±9~±15V。它将传感器、振荡器、解调器、滤波器集于一体,只要外供直流稳压电源就能工作。除具有一般交流位移传感器的特点外,它适合在以下场合使用:(1)位移传感器与控制室相距100米以上,需要遥测;(2)同时使用多只传感器,要求互相之间以及对其它设备不产生干扰;(3)需要防爆场合;(4)要求携带,在野外进行使用的时候;(5)需要输出标准的电压或电流的时候[2]。信号经高精度的位移传感器变为电信号后,通过多路开关(MAX198)选择,然后经过跟随器(由INA141运放组成)输出,再由电阻网络传送给A/D转换器。为了减少噪声的影响,ADS1212的负输入端AINN接2.5V基准电压,这样能保证输入在-5V~+5V内变化时,AINP端的电压范围为1.25V~3.75V。以2.5V为零点,实现了对地信号的采样转换。电路如图4所示:
3.1.3 ADS1212与AT89C52的接口电路
单片机采用AT89C52,它包含8K字节的闪存,256字节RAM,外部电路简单,具有低功耗空闲和掉电保护功能[3]。ADS1212与AT89C52的接口采用四线制通讯方式,单片机的P1口作为与ADS1212的数据输入通道。采用外部中断方式读取采样数据结果。采样数据由SDOUT输出,命令数据由SDIO输入,SCLK作为同步时钟,同时将单片机与MAX1487E相连,来实现与上位机的通信。片外E2PEOM的设计用串行总线技术,用单片机的RD与WR口线扩展片外串行总线存储器24C16,主要用来存放有关的初始化信息。从系统的校正角度出发,本系统将ADS1212设置为从属方式(因为在一个转换周期内可以执行多条指令),即片选端接地,同步信号输入DSYNC接高电平。为了有效地防止程序“走飞”,采用了MAX706作为系统的看门狗。连线简图如图5所示:
3.2 系统软件设计
本系统采用模块化的结构设计,主要模块包括系统主程序、复位初始化模块、A/D转换控制模块和数据处理模块等。系统复位初始化模块包括单片机端口初始化,ADS1212工作状态初始化等。为了保证初始化的正确性,在ADS1212的初始化完成后,采用读出CMR中的一些字节的数值(只能读出CMR3,而不能读CMR2,因为ADS1212工作模式己经改变)来进行比较的方 法,以确认初始化是否正确。限于篇幅,具体的程序不作介绍,只列出了系统主程序模块流程图与ADS1212的初始化复位程序流程图的片段。分别如图6与图7所示:
4 非线性误差的修正
传感器、放大器、A/D转换器总是存在非线性误差,由于上述非线性关系的存在,带来了精度的降低,为了保证在整个范围内满足精度的要求,所以在实际应用系统中应根据控制要求对 测量值进行误差修正,修正通过硬件很难做到,一般通过软件来实现。其具体的修正方法应根据信号的工作区段和质量要求来确定。利用单片机的运算和控制能力对非线性关系找出修正算法,并在反复测试调整后使其达到设计要求。本系统采用分段线性插值法对测量值的曲线进行了误差修正处理。方法为:将0—XMAX分为若干工作区段,每段曲线用一段对应的折线来代替,对每段修正折线可求出Xi—Nt: Xi=ai*Nt+bi(i为某段折线的序号,ai表示该段折线的斜率,bi表示该段折线的截距)。它们的处理关系示意曲线如图8所示。
预先将每段的ai、bi之值存于单片机中。在不同的工作区段,单片机自动地将对应的每段的上述值调出进行运算处理(限于篇幅定量的分析没有讨论)。
5 结束语
采用核心芯片ADS1212与AT89C52及其它芯片和元器件组成的高精度多点位移测试仪,有高的性能价格比,设计灵活,功耗低,抗干扰性能好,便于携带,可移植性强(该数据采集系统, 只要更换传感器,再作必要的设置,就能实现其它的功能)。该系统是应某计量单位的要求设计的,经测试采样精度可达19位,仪器己使用一段时间了,情况一切正常,效果良好。它可被广范应用。
6 参考文献:
[1] 刘书明,刘斌·高性能模数与数模转换器件[M]·西安:西安电子科技大学出版社,2000:161-190
[2] 杨崇志,等·特殊新型电子元器件手册[M]·沈阳:辽宁科学技术出版社,2001:362-364
[3] 余永权·FLASH单片机原理及应用[M]·北京:电子工业出版社,1997:196-215
作者简介:邓重一(1962-),男,湖南宁远县人,学士,副教授,研究方向:检测技术,信号处理,EDA技术,电磁兼容技术。
