高精度溫度采編設備的穩定性優化設計

焦新泉,翟 菲,劉東海

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051)

隨著近現代航空、航天設備的研究與發展，采編技術已經廣泛的應用在環境監測、工業自動化和航空航天等領域。特別是在航天領域，飛行設備在面對各種復雜環境時，信息采集的穩定性和準確性尤為重要[1]，因此對采編設備的性能等技術提出了更高的要求。目前大多數的采編設備都追求提高采集速度和擴展采集通道數，而忽略了數據采集的準確性和穩定性，并且在強電磁干擾環境中采編設備的抗干擾能力就顯得尤為重要。本采編設備在滿足采集速度與精度的同時，對模擬電路輸入端增加冷端補償電路，對ADC驅動電路進行抗混疊濾波處理，并對采編設備進行了可靠性設計和驗證[2]。

1 系統整體設計

采編設備主要由采編器、地面綜合測試臺和地面測試計算機組成。采編裝置供電來自于地面測試臺，熱電偶網絡將溫度變化量轉換為電壓變化量，在采集板卡上變化的模擬電壓量經過低通濾波、運放跟隨和增益調整進入模數轉換芯片變為數字量，并通過內部總線發送給主控卡；采編器主要完成對信號的采集、轉發和編碼[3]；地面測試臺及測試計算機主要對采編器進行功能顯示及狀態驗證，并完成對數據的分析和處理。設備組成如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 采集電路抗干擾優化設計

采集電路前端由32路傳感器進行信號采集，經過低通濾波電路濾除有用信號上的高頻噪聲，由參考結點補償電路進行溫度補償，減小采集板卡一側溫度變化而造成的測量誤差，增益調整電路根據采集量程的不同調整增益，使得后端的AD采集電路能夠最大程度地表征原模擬信號，為了減小高頻噪聲和串擾的干擾，增加了二階濾波電路，利用二極管的正向導通特性設計了過壓保護電路，模擬開關和模數轉換器對模擬信號進行采樣量化，FPGA通過內部總線對模擬開關和AD采樣進行分時控制和切換，并接收來自采集卡的數字信號量[4]。

圖1 設備組成框圖

采集電路原理設計如圖2所示。

圖2 采集電路原理設計框圖

2.2 A/D轉換器抗混疊濾波電路設計

由于要提高AD轉換器的轉換精度，在AD前端設計了分壓跟隨電路和抗混疊濾波電路，分壓跟隨電路用于模數轉換芯片輸入信號的緩沖作用，由AD8032組成其具有建立時間短和低失真等優點。如圖3所示，在兩個AD8032之間接入分壓電阻R2、R3，可以根據滿量程溫度范圍對應的滿量程電壓量調整R2和R3的阻值，滿足AD轉換器的輸入要求[5]。

圖3 模擬開關及A/D轉換電路

由于溫度信號變化緩慢屬于低頻信號，容易受到高頻信號的干擾造成信號混疊，降低信噪比，因此在AD7621的前端增加了抗混疊濾波電路設計，可以有效地降低高頻信號的干擾，如圖3所示，電阻R4和電容C1構成了一個低通濾波電路，有效地衰減了反沖噪聲和抑制了外帶噪聲。在選擇電阻R4時，要使R4的阻值盡量小，因為大電阻本身自帶電路噪聲，會引起板間串擾，因此可以通過增加C1的容值，來減小抗混疊濾波電路的截止頻率，提高AD采集的精度[6]。

2.3 冷端補償結點的優化處理

由于使用熱電偶傳感器進行溫度采集，但熱電偶無法直接連接到電路板上，所以在電路板和熱電偶之間選用熱電偶補償導線進行連接，熱電偶補償導線在一定范圍內與熱電偶傳感器具有相同的溫度特性，補償導線在其工作范圍內，延長熱電偶，相當于將熱電偶的冷端補償結點轉移到采集設備附近，有效減少了冷端結點受熱端(測量端)溫度變化的影響[7]。

在以前的設計當中，熱電偶通過連接器連接到采編器，采編器內部通過高溫導線連接電路板與連接器，再由電路板走線連接至運放，這種連接方式過長，并且導致冷端溫度與溫度補償電路的溫度很難一致，從而造成測量誤差的增大，因此在采編器內部采用補償導線來進行溫度補償，可以有效地減小測量誤差。熱電偶的冷端補償電路如圖4所示。

圖4 熱電偶的冷端補償電路

3 時序邏輯控制

3.1 采樣時序控制

采集設備的模數轉換和時序控制都是由主控邏輯進行控制，主控邏輯主要進行模數轉換和時序控制，控制數據的采集、轉換、編幀和與計算機的總線通信[8]。FPGA根據內部時序邏輯，向外圍電路發送各種控制命令。當測試臺下發采集命令后，控制模塊加載ROM表中的地址，判斷是否為勤務信號，模擬開關選通相應信號通道，將信號送入ADC進行模數轉換，轉換完成后的數據進入4K的RAM緩存，當存滿2K數據后通過數據總線傳輸給地面測試臺進行分析和處理[9]。圖5為主控邏輯設計框圖，圖6所示為信號采集流程。

圖5 主控邏輯設計框圖

圖6 信號采集流程框圖

3.2 數據緩存模塊優化設計

由于上位機每隔25 ms發送一次副幀同步信號，控制FPGA開始采集一個通道數據，但由于采編器采集通道過多，并且采用8倍超采取均值的方法，進行數據采集，因此使用一個RAM或FIFO進行數據緩存，很容易造成數據丟失、移位或誤碼的現象，影響每個通道數據的讀取和分析[10]。因此采用基于“乒-乓”的設計思想，采用雙口RAM核進行交替緩存數據設計，雙口RAM緩存控制模塊如圖7所示。

圖7 雙口RAM緩存控制模塊示意圖

進行數據采集時，將switch端口賦值為0，代表先寫滿RAM_A緩存，當RAM_A存滿一幀數據后，將switch端口賦值為1，代表寫滿RAM_B緩存，同時 RAM_A開始向外讀數，當RAM_A進行寫緩存時，RAM_B開始向外讀數，使RAM_A和RAM_B交替進行數據緩存保證數據完整不丟失。

4 系統驗證

信噪比是采集設備抗干擾能力的關鍵指標之一，信噪比越高，采集設備表征模擬溫度信號的能力越強精度越高。圖8所示為-30～500 ℃和-30～1 200 ℃兩通道的測試波形。

圖8 選定通道的滿量程輸入測試波形

表1所示為選定通道的信噪比，結果證明設備信噪比較高，抗干擾能力強。

表1 選定通道信噪比

5 結論

對采編器的硬件電路和邏輯時序進行了優化處理，對ADC驅動電路進行了抗干擾處理，設計的雙口RAM緩存保障了數據傳輸的穩定性，并且提高了數據采集的精度，該采集設備采集相比傳統設備，精度提高0.5%，在全量程測溫時，溫度誤差在±2 ℃以內，完全滿足設計要求。該采編設備設計合理，性能穩定，抗干擾能力強，采樣精度高，對其他采編設備具有參考價值。