基于C51的多通道高精度電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)*

王志偉，陸錦軍

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，江蘇無錫214153）

?

基于C51的多通道高精度電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)*

王志偉*，陸錦軍

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，江蘇無錫214153）

摘要：為滿足不同工業(yè)現(xiàn)場調(diào)校熱電偶及后級控制器的需要，實(shí)現(xiàn)高精度溫度測量，設(shè)計(jì)了多通道高精度電壓轉(zhuǎn)換模塊。硬件系統(tǒng)以C8051F064為控制核心，利用AD8572等高性能芯片及軍品級精密分立器件搭建線性運(yùn)放電路，運(yùn)用16 bit DA轉(zhuǎn)換器MAX5541實(shí)現(xiàn)高分辨率轉(zhuǎn)換輸出，用以產(chǎn)生符合后級測控所需的標(biāo)準(zhǔn)雙極性信號。通過逐點(diǎn)給定0～10 V輸入電壓測試實(shí)物輸出，實(shí)測結(jié)果證明，該模塊具有穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)換精度高（可達(dá)±0.01%）等特點(diǎn)，完全滿足不同工業(yè)現(xiàn)場的測控需要。

關(guān)鍵詞：電壓轉(zhuǎn)換模塊；高精度；實(shí)物測試；SPI總線；線性度

熱電偶是工業(yè)現(xiàn)場最常用的測溫器件，但因?yàn)槠漭敵鲭妷旱燃壍汀⒕€性度易隨外界因素變化，影響著工業(yè)現(xiàn)場控制器的測控精度，該轉(zhuǎn)換模塊不僅在硬件上的角度上，具體從元件選型、電路搭建以及PCB布局等方面優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)，確保整個(gè)系統(tǒng)每一個(gè)環(huán)節(jié)不出現(xiàn)短板，同時(shí)在軟件上對AD轉(zhuǎn)換及DA轉(zhuǎn)換實(shí)施實(shí)時(shí)跟蹤校準(zhǔn)，該模塊實(shí)測結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)均超過了設(shè)計(jì)要求，完全滿足了航空、冶金等工業(yè)現(xiàn)場搭建高精度溫度測控系統(tǒng)的要求［1］。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由前級輸入電路、C8051F064、串行DA轉(zhuǎn)換電路等后級輸出電路組成，整體框圖如圖1所示。

該電路電路設(shè)計(jì)參數(shù)為：熱電偶輸入電壓為0～10 V，后級輸出兩路隔離電壓范圍：-10 mV~100 mV，轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于±0.02% FS，輸出電壓滿量程80%~ 90%轉(zhuǎn)換時(shí)間小于20 ms，驅(qū)動(dòng)負(fù)載阻抗不小于3 kΩ，負(fù)載穩(wěn)定度≤0.1%，并可通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)輸出范圍的調(diào)整。為實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的超高精度，要求每一部分電路核心部件采用高性能集成電路及高精度軍品級分立元器件［2］。

圖1　統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2　系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)供電電源設(shè)計(jì)

為保證轉(zhuǎn)換精度的需要，系統(tǒng)需要高精度的供電電源，由于后級控制器提供了+24 V的直流電源，現(xiàn)需將此電壓轉(zhuǎn)換為±5 V、5 V、3.3 VD、 3.3 VA，系統(tǒng)選擇了高精度電源模塊IA2405S-1W5和IB2405LS-W75，其在輸入電壓變化為± 5%時(shí)，輸出電壓變化不超過±0.25%；負(fù)載調(diào)節(jié)率，在負(fù)載10%～100%變化時(shí)，其輸出電壓變化不超過±1%；同時(shí)通過高精度電源轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3給單片機(jī)提供供電電壓［3］。

圖2　系統(tǒng)DC-DC供電模塊

2.2前級輸入電路設(shè)計(jì)

前級電路包括了分壓轉(zhuǎn)換電路、超高精度基準(zhǔn)電壓源。基準(zhǔn)電路選用超高精度帶隙基準(zhǔn)電壓源AD780，為單片機(jī)系統(tǒng)提供2.5 V基準(zhǔn)電壓VREF0，它具有低初始誤差、低溫度漂移和低輸出噪聲（100 nV/√Hz），精度可達(dá)±1 mV（最大值）的特點(diǎn)，非常適合用于增強(qiáng)高分辨率ADC和DAC的性能，以及任何通用精密基準(zhǔn)電壓源應(yīng)用。分壓轉(zhuǎn)換電路由分壓電路及電壓跟隨器組成，其中分壓電路由精密電阻EE4、EE5及EE6進(jìn)行分壓，3個(gè)電阻采用0.02%高精度電阻，其組成分壓電路的分壓比為4∶1（即將熱電偶的0～10 V轉(zhuǎn)換為C8051所能處理的0～2.5 V電壓），并由雙通道、單電源CMOS精密輸入放大器AD8572組成電壓跟隨器，其具有極低失調(diào)電壓、寬信號帶寬以及低輸入電壓和電流噪聲等特性，在該電路有效提高了輸入電阻，優(yōu)化了信號特性，電路圖3所示［4］。

圖3　系統(tǒng)單路分壓電路及基準(zhǔn)電壓源

2.3單片機(jī)配置

系統(tǒng)選用C8051F064作為控制核心，C8051F單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)芯片（SoC），具有高速、高性能、高集成度等特點(diǎn)，適應(yīng)于工作溫度為（-40℃～+84℃）及工業(yè)級現(xiàn)場，并具有兩個(gè)16 bit AD轉(zhuǎn)換接口，完全滿足系統(tǒng)電壓的轉(zhuǎn)換精度需要［5］。

同時(shí)系統(tǒng)選用了惠普公司生產(chǎn)的雙通道高速光耦合器，其具有轉(zhuǎn)換速度快（光耦合時(shí)間可達(dá)10 ns級），最大波特率可達(dá)10 Mbit/s，以此選為單片機(jī)D/A與輸出電路的電氣隔離。

2.4后級輸出設(shè)計(jì)

系統(tǒng)輸出電路分兩路輸出，如圖4所示為DA轉(zhuǎn)換電路和單路輸出電路。

圖4　系統(tǒng)單片機(jī)電路配置

系統(tǒng)選用串行輸入16 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX5541，其采用5 V單電源供電，具有轉(zhuǎn)換精度高、轉(zhuǎn)換時(shí)間短（1 μs級）、功耗低（1.5 mW）、輸出范圍為0~VREF0。采用多功能三線式接口，并且與SPI等接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。本項(xiàng)目中C8051F064輸出16 bit串行數(shù)據(jù)給MAX5541，通過AD8675進(jìn)行放大，利用SPI總線并通過P0.4、P0.5進(jìn)行片選輸出［6］。

后級輸出選用的精密運(yùn)算放大器AD8675具有超低失調(diào)（μV級）、極低電壓噪聲（nV級）、低輸入偏置電流（nA級）、低輸入失調(diào)漂移（0.6 μV/℃）、放大信號范圍寬，其帶寬可達(dá)10 MHz，可應(yīng)用于熱電偶放大器、精密儀器等場合，如圖5電路，由其組成兩級放大的輸出電路，其中第一級為同相比例運(yùn)放電路，其輸出電壓為uo=EE7和EE8均采用0.02%精密電阻，通過調(diào)節(jié)EE7 和EE8的大小調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍。而后級電路放大倍數(shù)為1，主要作用為進(jìn)一步改善電路的輸出電阻等特性參數(shù)，同時(shí)兩級電路均采用了零偏校準(zhǔn)電路以進(jìn)一步提高輸出精度［7］。

圖5　系統(tǒng)輸出電路單路設(shè)計(jì)

3　系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按模塊化方式編程，其主要程序塊包括初始化、AD轉(zhuǎn)換、ADC校準(zhǔn)、DA轉(zhuǎn)換等程序塊，流程圖如圖6所示［8］。

圖6　系統(tǒng)程序流程圖

3.1初始化程序

初始化程序包含了端口配置、SPI總線配置、參考電壓配置初始化等。

void Init_Device（void）

{Reset_Sources_Init（）；

Port_IO_Init（）；

SPI_Init（）；

Voltage_Reference_Init（）；

ADC_Init（）；

Oscillator_Init（）；}

3.2主程序及AD轉(zhuǎn)換程序

void Main（void）

{ UINT16 SamplingA，SamplingB；//采樣

UINT32 VolA，VolB；//輸入電壓

#ifdef _ADC_DEBUG_

UINT16 i，ADCValue［2］，MaxCnt［2］；

#endif

Init_Device（）；

SamplingA=SAMPLINGS；

SamplingB=SAMPLINGS；

VolA=0；

VolB=0；}

while（1）//*-------------通道1轉(zhuǎn)換---------*/

{SFRPAGE=ADC0_PAGE；

i

f（AD0INT）

{VolA+=ADC0；

AD0INT=0；

AD0BUSY=1；

if（--SamplingA==0）

{VolA/=SAMPLINGS；

#ifdef_ADC_DEBUG_ //ADC校準(zhǔn)

if（! g_StartFlag）

{if（--g_Ctr1==0）

{g_Ctr1=VOL_TEST；}}

else

{for（g_i1=0；g_i1

{if（g_VOL1［g_i1］.ADC==VolA）

{g_VOL1［g_i1］.Ctr++；

break；} }

if（g_i1==g_Last1）

{g_VOL1［g_i1］.ADC=VolA；

g_VOL1［g_i1］.Ctr=1；

g_Last1++；} }

#else

CalcVol（1，VolA）；

#endif

VolA=0；

SamplingA=SAMPLINGS；} }

3.3DA轉(zhuǎn)換程序

按照DA轉(zhuǎn)換器16 bit的特點(diǎn)，其理論轉(zhuǎn)換精度可達(dá)1/65536，通過調(diào)整相關(guān)初始參數(shù)也可調(diào)節(jié)輸出范圍。

void DAC_Output（UINT8 Channel，UINT16 DAC）

{ SFRPAGE= SPI0_PAGE；

if（Channel == 1）

{ CS1 = 0；

SPI0DAT = DAC>>8；

while（! SPIF）；

SPIF = 0；

SPI0DAT =（UINT8）（DAC & 0x00FF）；

while（! SPIF）；

SPIF = 0；

CS1 = 1；}

Else…

4　結(jié)論

本文利用單片機(jī)（C8051F064）及高性能輸入輸出電路搭建了高精度雙通道轉(zhuǎn)換模塊，通過合理布置PCB元件及布線，通過對電路給定輸入電壓理論值從0.05 V、0.1 V、1 V～10 V變化的過程中測試12點(diǎn)電壓，每一點(diǎn)測試時(shí)間為20s，每一點(diǎn)觀察電壓在20 s內(nèi)的最大值和最小值并記錄，從表1滿量程穩(wěn)態(tài)精度可看出，滿量程穩(wěn)態(tài)精度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.01%，故轉(zhuǎn)換精度、電壓穩(wěn)定度等參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，證明了設(shè)計(jì)電路的正確性、合理性和實(shí)用性。

表1　測試數(shù)據(jù)表

參考文獻(xiàn)：

［1］陳玉林.新型熱電偶溫度測量儀的研制［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（4）：31-33.

［2］孔繁軍，戴晶，潘婧.一種熱電偶測量儀表的校準(zhǔn)方法［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34（8）：109-111，118.

［3］楊寧，史儀凱，袁小慶.高精度、低功耗帶隙基準(zhǔn)源及其電流源設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，27（1）：58-63.

［4］任殿慧，周巧娣，章雪挺.一種鉑電阻測溫電路的非線性校正方法［J］.電子器件，2010，33（5）：603-606.

［5］李楠，王舉.基于C8051F064單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2013，40（8）：7-11.

［6］李偉，陳明，李平. Windows CE下基于SPI總線的雙機(jī)通信技術(shù)［J］.測控技術(shù)，2010，29（3）：55-58，62.

［7］唐曉茜.基于C8051F064的靜態(tài)應(yīng)變儀器的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2009，47（536）：26-28.

［8］吳來杰，嚴(yán)雋薇，劉敏.基于數(shù)值計(jì)算的熱電偶測溫［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009，15（5）：94-95.

王志偉（1974-），男，漢族，江蘇無錫人，就職于江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，碩士，副教授/高級工程師，教師，主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)系統(tǒng)的研究與開發(fā)，wangzhiwei2589@163.com；

陸錦軍（1962-），男，江蘇南通人，就職于江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，博士，教授/博導(dǎo)，副院長，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)。

Grouped-Subcarrier Precoder with Adjustable Complexity for Multi-User MIMO-OFDM Systems in Time-Variant Wireless Channels*

TONG Juanjuan1，SHU Feng1，2，3*，LI Jun1，LI Li1，WANG Yimeng1，GUI Linqing1，LU Jinhui1

（1.School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.National Mobile Communications Research Laboratory，Southeast University，Nanjing 210096，China；3.Ministerial Key Laboratory of JGMT，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Abstract：In multi-user time-variant MIMO-OFDM system，the global beamformer of precoding all subchannels to?gether performs far better than the one of precoding each subcarrier individually. However，the complexity of the for?mer becomes prohibitive as the product of the number of transmit antennas at base-station and the total number of subcarriers increases up to or more than one thousand. To solve this problem，a grouped-subcarrier maximum signalto-leakage-and-noise ratio（GS-Max-SLNR）precoder with adjustable complexity is proposed. Using theoretical mod?eling and simulations it is found that the proposed GS-Max-SLNR precoder can strike a good balance between com?plexity and performance by choosing a proper value of group number. It is noted that the idea of grouping can be easily extended to other classic precoders like block diagonalization，and minimum mean square error. Additionally，we also derive a simple formula for inter-group interference to help choose the proper number of groups given Doppler spread and signal-to-noise ratio.

Key words：MIMO；OFDM；Max-SLNR；grouped-subcarrier；linear precoder

doi：EEACC：2160B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.009

收稿日期：項(xiàng)目來源：江蘇省科技廳前瞻性產(chǎn)學(xué)研研究專項(xiàng)基金項(xiàng)目（BY2013016）2015-04-12修改日期：2015-05-11

中圖分類號：TP216

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0036-05