數據采集系統中自動校準技術的研究

胡軼群，徐俊臣，杜玉杰，李冠宇，邱文博，楊子原

（國家海洋技術中心，天津300112）

數據采集系統中自動校準技術的研究

胡軼群，徐俊臣，杜玉杰，李冠宇，邱文博，楊子原

（國家海洋技術中心，天津300112）

為使海洋觀測設備在室外惡劣環境條件下仍可實現高可靠性、高準確性的自動數據采集，從而實現無人管理工作，介紹了數據采集系統的自動校準技術，即通過一個校準輸入通道，產生兩個高精度的基準信號，用軟件的方法對模擬測量通道進行校準，以保證測量準確度。此技術已經過實驗論證，并在海洋監測、氣象、環保等方面取得了廣泛的應用。要保證自校準電路正常工作，選擇一個高穩定性基準源，是本設計的一個關鍵因素，要求基準源必須具有高精度、低溫度系數和高穩定性。

數據采集；自動校準；基準信號

隨著海洋觀測技術的發展，以單片機為核心的數據采集系統已經在海洋觀測領域占據越來越重要的地位。數據采集技術作為信息科學的一個重要分支，是以傳感器技術、信號測量與處理技術、微型計算機等技術為基礎而形成的一門綜合應用型技術，是獲取信息的基本手段。為使海洋觀測設備在室外惡劣環境條件下仍可實現高可靠性高準確性的自動數據采集，從而實現無人管理工作，本文介紹了數據采集系統的自動校準技術，此技術已經過實驗論證，并在海洋監測、氣象、環保等方面取得了廣泛的應用。

1 自校準方法的工作原理

圖1 數據采集系統總體電路結構圖

如圖1，數據采集模塊是數據采集系統的核心模塊，完成各個傳感器數據和采集器工作狀態的采集、數據校準、數值計算、數據的分析處理、數據存儲、數據通訊并控制管理系統中其他模塊的工作。

數據采集系統中，前向模擬通道的各個部件，包括信號調理電路和模數轉換電路（ADC）都會在不同程度上給測量結果帶來誤差，而且由于電路自身的漂移，該誤差會隨著溫度和時間而漂移。要保證數據采集系統在全溫度范圍的測量準確性，必須在技術上解決電路漂移的影響。

模擬測量系統的誤差分為零點誤差、增益誤差（滿度誤差）和非線性誤差三種類型。一般集成運算放大器和模數轉換器通常都具有優異的線性度，例如24位模數裝換器AD7714的非線性誤差為±0.0015﹪。但是模擬測量系統的零點和增益誤差是隨時間和溫度變化的，難以通過一次設備標定永久解決問題。

為保證測量準確度，本文提出在數據采集系統中采用自校準電路：通過一個校準輸入通道，產生兩個高精度的基準信號，用軟件的方法對模擬測量通道進行校準，工作原理如圖2所示。

圖2 n通道自校準模數轉換原理框圖

2 自校準技術的硬件實現及軟件流程

自動校準部分模擬電路如圖3所示：

圖3 自校準模擬通道電路圖

高穩定性基準源輸入的電壓VREF在電阻上所得分壓與ADC輸出的二進制數A之間存在線性關系：V=K*A+B，其中K、B為待定系數。當S0與S1接通，V值為VREF在電阻R4上的分壓：VL=VREF*（15/4096），通過ADC得讀數為A1；當S0與S2接通，V值為VREF在電阻R2上的分壓：VH=VREF*（4081/4096），ADC 讀數為 A2；由上可得待定系數K與B的值。當系統所處環境溫度發生變化或時間變化時，VL、VH發生相應變化，此時可根據線性關系V=K*A+B，隨時校準系數K、B的值，實現模擬通道測量的實時校準。

基準電壓源進入帶校準功能的模擬開關MAX4539。模擬開關利用激光微調技術在內部集成了高精度的電阻分壓網絡，分壓比精度高達0.002%，可為ADC提供進行零點校準和增益校準所需的兩路高精度標準信號。

圖4 MAX4539內部結構圖

MAX4539的內部結構如圖4所示。它是在一個普通8通道CMOS模擬開關的基礎上增加了一個電阻分壓網絡，分壓網絡將外部輸入的基準電壓分壓后經過選擇開關送往多路器輸出端。譯碼電路將控制信號及地址信號譯碼后控制內部開關，實現輸入通道選擇。

MAX4539與CPU接口非常簡單，CPU通過控制引腳CAL和地址引腳A0～A2進行通道選擇。當CAL為低電平時，相當于一個普通8選1模擬開關，通過地址A0～A2可分別選擇8個模擬輸入通道。當CAL為高電平時，通過A0～A2可分別選擇低校準信號15/4096(VREFHI-VREFLO)和高校準信號4081/4096(VREFHI-VREFLO)，用于ADC的校準。

對任意模擬量通道進行數據采集之前，首先進行低校準信號和高校準信號的數據采集，實時計算出當前信號調理電路和模數轉換電路（ADC）的零點和增益，然后進行所選模擬通道的數據采集并校準，從而解決了系統的時間漂移和溫度漂移。具體校準過程如圖5所示。

圖5 數據采集自動校準流程

3 高穩定性的基準電壓源的選擇

由上可知，要保證自校準電路正常工作，選擇一個5 V的高穩定性基準源，是本設計的一個關鍵因素，要求基準源必須具有高精度、低溫度系數和高穩定性，本系統選用MAX6350，其主要優勢如下：

（1）初始精度高。MAX6350芯片的初始精度為±0.02﹪，5 V基準的準確范圍是4.999～5.001 V，在滿量程時最大誤差為0.001 V，完全符合一般數據采集系統的測量指標。

（2）驅動能力強。大多數應用都需要電壓基準源為負載供電，要求基準源有能力提供負載所需的電流。文中提及的MAX6350可提供15 mA的供出和吸入電流。

（3）溫度漂移小。MAX6350溫度系數為1 ppm/℃，以數據采集器工作溫度-30～+50℃共計80℃的范圍內，基準源的變化范圍ΔV=1ppm/℃×5V×80℃=0.000 4 V，即滿量程測量時最大誤差為0.000 4 V，完全符合一般數據采集系統的測量指標。另外，芯片溫漂是可重復性的誤差，是一個可校準的系統偏差。通過MAX6350的溫度特性曲線和使用單片機的片內溫度傳感器測量電路板的溫度，可以實現這一誤差的修正，這為以后系統提高測量精度提供了基礎。

（4）低噪聲。噪聲通常是隨機熱噪聲，對于低噪聲應用MAX6350是很好的選擇，其噪聲性能為3μVp-p。與數據采集器的測量指標相比可忽略。

（5）長期穩定性。該參數定義為基準電壓隨時間的變化，是電路能否長期保持高精度測量的關鍵。MAX6350具有較好的長期穩定性，其長期穩定性指標為30 ppm/1 000 hr。轉換成電壓的變化為0.000 15 V。

4 結語

數據采集器工作在惡劣的海洋環境，尤其在室外安裝使用時，環境溫度變化及時間變化引起的誤差不容忽視，所以必須采取措施解決電路的溫漂、時漂問題，保證測量準確度。本文中提出采用自校準電路來保證測量精度，經實驗證實，在數據采集系統中采用自校準電路的確可以實現實時校準，從而保證了測量的高精度，實現了低功耗、高可靠和適應室外惡劣環境的設計目標。

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Research on Automatic-calibration Technology in Signal Processing System

HU Yi-qun,XU Jun-chen,DU Yu-jie,LI Guan-yu,QIU Wen-bo,YANG Zi-yuan
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

In order to actualize self-management,the research on automatic-calibration technology in the signal processing system was discussed.Two high precision benchmark signals were brought through one calibration input channel.In order to guarantee the measure nicety,a set of software to calibration for the simulation measure channel was programmed.This technology has been demonstrated according to the experimentation and obtained application abroad in various aspects.A high-stabilization benchmark is a key in this design.

signal processing;automatic-calibration;benchmark signal

P716，TP274

B

1003-2029（2012）01-0021-03

2011-07-10

胡軼群（1981-），工程師，主要從事單片機硬件設計及軟件編程。