一種智能溫度傳感器硬件電路分析和改進

1、一種智能溫度傳感器硬件電路分析和改進內(nèi)容摘要太簡了本文介紹了以Pt100為敏感元件智能溫度傳感器的一種成熟處理電路,文中對該電路進行詳盡的分析、列出電路的優(yōu)缺點,并在此基礎(chǔ)上提出修改意見。關(guān)鍵詞:溫度傳感器PT100 惠斯通電橋以上的內(nèi)容摘要和關(guān)鍵詞應獨占一頁紅色字或刪或改前言由于被測對象為非電量,利用傳感器將測到的非電量轉(zhuǎn)換為電信號,大多數(shù)傳感器產(chǎn)生的信號都很微弱,通常只有uV 或mV 兩級,必須用高輸入阻抗的運算放大器對他們進行放大,使其達到一定的幅度(通常為幾伏。還要進行濾波,選取信號中一定頻率范圍的成分,去掉各種干擾和噪聲。若信號的大小與A/D 轉(zhuǎn)換的輸入范圍不一致,必須進行電平轉(zhuǎn)換。

2、轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入單片機,而后進行數(shù)據(jù)運算和處理,將結(jié)果通過總線發(fā)送給控制器或顯示器。1 智能溫度傳感器的結(jié)構(gòu)框圖2 智能溫度傳感器器件選擇隨著以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、通信接口技術(shù)和檢測技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展, IC 芯片正在向著單片化、微型化、綜合化、高性能價格比的方向發(fā)展, 這使得原來功能單一,結(jié)構(gòu)復雜,連線困難,功耗高的單片IC 芯片逐漸被多功能、結(jié)構(gòu)精巧、通用聯(lián)線而且低功耗的集成式IC 器件所替代。特別是在片內(nèi)集成了程序數(shù)據(jù)存儲器、ADC 轉(zhuǎn)換和I/O 接口功能的單片機的出現(xiàn),已經(jīng)在智能化儀表中獲得廣泛應用,也為智能傳感器的設計和實現(xiàn)提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。為了設計

3、出結(jié)構(gòu)緊湊、可靠度高、低功耗的智能溫度傳感器,并結(jié)合傳感器應用的實際對象和場合,我們在設計選擇器件時充分考慮了這一趨勢的同時,還要考慮實驗室項目的一致性,盡量減少開發(fā)平臺重復建設。2.1 智能溫度傳感器微控制器選擇微控制器(MCU 是智能傳感器的核心器件,它對智能傳感器的性能指標影響很大。目前市場上MCU 的型號和種類很多,其中比較流行的有Intel 公司的MCS51系列、Motorola 公司的68H 系列、Microchip 公司的PIC 系列、Atmel 公司的A VR 系列以及以ARM 體系結(jié)構(gòu)的單片機等2。MCS51系列單片機應用敏感元件 模擬信號處理 A/D 轉(zhuǎn)換 數(shù)字信號處理 通

4、信 總 線被測信號 圖1 智能溫度傳感器結(jié)構(gòu)框圖廣泛,價格低廉,發(fā)展較成熟,但它的實時性相對較差;Motorola的68H系列單片機在家電、耐用消費品等人民生活領(lǐng)域占據(jù)了廣闊的市場,在同樣的速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機低得多,因而使得高頻噪聲低,抗干擾能力強,更適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。Microchip公司的PIC系列單片機采用RISC 結(jié)構(gòu),分別僅有33,35,58條指令,采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu),運行速度快,低工作電壓,低功耗,較大的輸入輸出直接驅(qū)動能力,價格低,一次性編程,小體積。適用于用量大,檔次低,價格敏感的產(chǎn)品。ATMEL公司的A VR單片機,是增強型RISC內(nèi)

5、載Flash的單片機,芯片上的Flash存儲器附在用戶的產(chǎn)品中,可隨時編程,再編程,使用戶的產(chǎn)品設計容易,更新?lián)Q代方便。A VR單片機采用增強的RISC結(jié)構(gòu),使其具有高速處理能力,在一個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復雜的指令,每MHz可實現(xiàn)1MIPS的處理能力。A VR單片機工作電壓為2.76.0V,可以實現(xiàn)耗電最優(yōu)化。A VR的單片機廣泛應用于計算機外部設備,工業(yè)實時控制,儀器儀表,通訊設備,家用電器,宇航設備等各個領(lǐng)域。由此可見,各個公司單片機都有各有千秋,他們生產(chǎn)的芯片還有千變?nèi)f化的內(nèi)部功能配置組合,如何選對一款合適的MCU也是系統(tǒng)開發(fā)前期需要考慮的重要問題。以下幾點就是芯片選型的依據(jù):1. 成本成

6、本是一個關(guān)鍵性因素。當注重MCU的性能的同時,還要考慮系統(tǒng)的整體成本和開發(fā)系統(tǒng)時所用到的在線仿真器、編譯器、匯編器、連接器、調(diào)試器以及模擬器等的成本。不能只看到MCU的成本,有時一個快速而廉價的MCU可能會成為系統(tǒng)成本居高不下的問題根源,因為系統(tǒng)往往還需要加上各種外設,要使各種外設協(xié)同工作需要擴展總線和增加延時邏輯。作為系統(tǒng)的設計者,應該盡量制定一個合理的預算,同時又能滿足系統(tǒng)的各項要求。2. 片內(nèi)要有充足的RAM和ROMMCU內(nèi)部有充足的存儲器既可以節(jié)省傳感器的成本,又可以減少傳感器的體積。由于CANopen協(xié)議棧由多個子協(xié)議和服務組成,而且系統(tǒng)采用查表方式實現(xiàn)傳感器的顯性化,因此需要大量的

7、RAM和ROM。3. 功耗低基于現(xiàn)場總線的智能傳感器大多工作在距離控制室很遠的地方,再加上國家提倡節(jié)約能源,因此功耗問題是值得關(guān)注的。有時功耗太大會影響傳感器的本質(zhì)安全。4. 內(nèi)置CAN總線接口CAN-BUS為本系統(tǒng)主要輸出通道,所以選用的MCU芯片必須具備CAN總線接口。根據(jù)以上要求我們選用Atmel公司的A VR系列處理器AT90CAN32作為智能傳感器的核心。AT90CAN32為基于A VR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。A VR 單片機以字作為指令長度單位,將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一個字中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此,AT90CAN32共有133條精簡的指

8、令,其中大部分為單周期指令,此外它還有一個兩個指令周期的硬件乘法器。A VR 單片機采用哈佛(Harvard結(jié)構(gòu)的流水線技術(shù),在執(zhí)行一條指令的同時,下一條指令也被取出來。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間,AT90CAN32的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/ MHz,從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾5。AT90CAN32單片機是以Atmel 的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的A VR單片機家族中的高性能單片機,具有比其他型號單片機更高的性能。它在A VR內(nèi)核的基礎(chǔ)上增加了更多的功能,并完善了接口性能,在省電、穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性方面也考慮得更加周全和完善,具體特點如下:32K字節(jié)的

9、系統(tǒng)內(nèi)可擦寫10000次的Flash程序存儲器、4K字節(jié)可擦寫100000次的EEPROM、4K字節(jié)的SRAM、53個通用I/O口線、32個通用工作寄存器、一個含15個郵箱的CAN控制器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數(shù)器(T/C、兩個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI串行端口、與IEEE 1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口(此接口同時還可以用于片上調(diào)試,以及六種可以通過軟件選擇的省電模式。 圖2 AT90CAN32 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖幾個圖都無法看清,不如刪去!別在文章中湊數(shù),浪費空間!這些圖你自

10、己看得清嗎?看明白了嗎?這就下載交上來不是糊弄人嗎?!太省心省力了吧!AT90CAN32有多種片內(nèi)ISP Flash可以通過SPI 接口、通用編程器,或引導程序多次編程。引導程序可以使用任何接口來下載應用程序到應用Flash存儲器。在更新應用Flash存儲器時引導Flash區(qū)的程序繼續(xù)運行,實現(xiàn)RWW操作。通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個芯片內(nèi),AT90CAN32為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的方案,AT90CAN32內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。以下重點介紹智能溫度傳感器應用到AT90CAN32的幾個部分。AT90CAN32存儲器結(jié)構(gòu)介紹:A VR 結(jié)構(gòu)具有兩

11、個主存儲器空間:數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器,如圖3和圖4所示。此外,AT90CAN32 還有EEPROM 存儲器以保存重要數(shù)據(jù)。這三個存儲器空間是獨立編址和線性的。 AT90CAN32具有128K 字節(jié)的在線編程Flash 。因為所有的A VR 指令為16位或32位,故FLASH 組織成 64K x 16的形式?？紤]到軟件安全性,Flash 程序存儲器分為兩個區(qū):引導程序區(qū)和應用程序區(qū)。Flash 存儲器至少可以擦寫10,000 次。AT90CAN32 模數(shù)轉(zhuǎn)換通道介紹:ATmega128內(nèi)部集成一個10位的逐次逼近型ADC 。ADC 與一個8通道的模擬多路復用器連接,能對來自端口F 的8路單端輸

12、入電壓進行采樣。器件還支持16 路差分電壓輸入組合。兩路差分輸入(ADC1、ADC0 與ADC3、ADC2有可編程增益級,在A/D 轉(zhuǎn)換前給差分輸入電壓提供0 dB (1x、20 dB (10x 或46 dB(200x 的放大級。七路差分模擬輸入通道共享一個通用負端(ADC1,而其他任何ADC 輸入可做為正輸入端。如果使用1x 或10x 增益,可得到8 位分辨率。如果使用200x 增益,可得到7 位分辨率。圖4 程序存儲器映像圖3 數(shù)據(jù)存儲器映像ADC 包括一個采樣保持電路,以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC 的電壓保持恒定。ADC 的框圖如5所示。 圖5 ADC結(jié)構(gòu)框圖AT90CAN32 CAN

13、控制器介紹:AT90CAN32的CAN控制器完全兼容CAN 2.0A和CAN 2.0B規(guī)范,共計15個獨立的具有優(yōu)先級的郵箱,支持時間觸發(fā)通信協(xié)議,可以為每一個CAN報文印“時戳”,支持自動回復功能14。AT90CAN32的CAN控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖6 圖6 AT90CAN128 CAN控制器結(jié)構(gòu)框圖所示。2.2 智能溫度傳感器敏感元件及信號調(diào)理電路運算放大器選擇在常用的溫度傳感器有熱電阻式、熱敏電阻式及熱電偶式。熱電偶用在檢測高溫的場合如排煙溫度等;而熱電阻和熱敏電阻用于測量溫度較低的場合,如檢測氣缸冷卻水溫度、滑油溫度、主軸溫度等。但熱敏電阻的測量精度不高、非線性差,主要用作溫度開關(guān)。熱電阻

14、具有良好的線性度,尤其是鉑電阻,它不僅擁有良好的線性度和復現(xiàn)度,而且具有很高的溫度系數(shù),其大約為30007000ppm/?？紤]到系統(tǒng)的成本和功耗問題,我們選用Pt100作為敏感元件。如上述論述可知,鉑電阻將以電阻的變化來反映溫度的變化,而電阻不易變換,必須用適當?shù)碾娐穪韺崿F(xiàn)電阻到電壓的轉(zhuǎn)化。一般采用惠斯登電橋法,惠斯登電橋法得到是很微弱的電壓(毫伏級的電壓,該電壓必須經(jīng)過適當?shù)姆糯蟛拍鼙皇褂?。這就要求放大器增益高,性能穩(wěn)定,尤其是零點漂移、溫度漂移、增益、穩(wěn)定性等指標要求較高,也就是要能對信號實現(xiàn)精密放大處理,滿足計量要求。這時,設計師們往往首選就是采用專用精密集成運算放大器,然而精密集成運算

15、放大器價格較高,芯片供電多采用雙電源對稱供電,對供電電路要求較高,應用上不太方便。而LM358 系列集成運放是4組獨立的高增益的、內(nèi)部頻率補償、輸入偏置電流是溫度補償?shù)?、單位增益帶寬是溫度補償?shù)倪\算放大器,它既可以單電源使用,也可以雙電源使用,電源電壓可以從+ 5V 到±15V ,而且驅(qū)動功耗低,每一組運放差模增益可達到100dB。通過外圍電路的合理設計,以LM358為主要器件的放大電路完全能滿足高放大倍數(shù)、高穩(wěn)定性的儀器儀表信號的放大處理要求。2.3 智能溫度傳感器CAN總線通信器件選擇由前文可知AT90CAN32在片內(nèi)集成了CAN總線控制器,故只需要外加兩只CAN總線收發(fā)器就可構(gòu)

16、成CAN總線通信模塊。市場上有許多種CAN總線收發(fā)器,如Philips公司生產(chǎn)的AU5790、PCA82C251和TJA1040,德州儀器公司生產(chǎn)的SN65HVD230等。AU5790價格低廉,但最高傳輸速度為83kbps;PCA82C251是性價比最為合理的一款CAN總線收發(fā)器,其價格較低且最高傳輸速度為1Mbps; TJA1040的性能較PCA82C251并沒有多大的提高,只是它可由3.3V供電,且其的電磁輻射較低;SN65HVD230具有良好抗干擾能力和高可靠性,由3.3V供電,最高速率可達1Mbps,但它主要是與帶有CAN控制器的TMS320Lx240x系列DSP配套使用,且其價格較高

17、。綜合上述分析,本系統(tǒng)的CAN總線收發(fā)器采用Philips公司的PCA82C251。PCA82C251是較為常用的一款CAN總線收發(fā)器,是CAN協(xié)議控制器和物理總線間的接口,它主要是為汽車中高速通訊(高于1Mbps應用而設計。此器件對總線提供差動發(fā)送能力,對CAN控制器提供差動接收能力,完全符合“ISO11898”標準。PCA82C251的特點有:1完全符合“ISO11898”標準2高速率(最高達IMbps3應用在汽車環(huán)境中具有抗瞬變的總線保護能力4信號上升沿和下降沿的斜率控制,以降低射頻干擾(RFI5差分接收器,在寬范圍內(nèi)具有抗共模干擾和抗電磁干擾(EMI6過熱保護7防止電池和地之間的發(fā)生短

18、路8低電流待機模式9未上電的節(jié)點對總線無影響10可掛載110個節(jié)點為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力,AT90CAN32CAN控制器的TXD和RXD并不是直接與PCA82C251的TXD和RXD相連,而是通過高速光藕6N137后與PCA82C251相連,這樣就很好的實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。2.4 智能溫度傳感器電源模塊以及供電方式的選擇正確選擇電源表面上看似易如反掌,然而,隨著需要多電源電壓的電子產(chǎn)品的推出,這項工作變得愈發(fā)復雜。當選擇實際系統(tǒng)中所需的電源時,必須考慮成本、解決方案的外形尺寸、輸入輸出的電壓以及所需的輸出功率等諸多因素。另外還要結(jié)合系統(tǒng)的實際需求來選擇。目前市場上

19、主要有兩種類型的低電壓電源芯片:線性穩(wěn)壓器(LDO和開關(guān)式(BUCK穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器成本低,電路簡單,不易受電磁干擾,輸出紋波小,但缺點是電源轉(zhuǎn)換效率低,尤其是應用在低電壓穩(wěn)壓電路中。而開關(guān)式穩(wěn)壓器的供電效率高,輸入電壓范圍寬,輸出功率大,可以緩啟動,主要缺點是輸出電壓中紋波較大。本系統(tǒng)既有模擬電路,又有數(shù)字電路;而且用于CAN節(jié)點間電氣隔離的6N137的兩個電源必須完全隔離,否則采用光藕也就失去了意義,因此本系統(tǒng)采用輸入輸出彼此隔離和穩(wěn)壓輸出的供電方式。綜合上述因素,我們采用DC/DC開關(guān)電源模塊來構(gòu)建傳感器的電源,此外, DC/DC電源模塊還要具有穩(wěn)壓和隔離的作用。目前市場上生產(chǎn)這種DC

20、/DC電源模塊的廠家有很多,經(jīng)過市場調(diào)研我們選用上海恒率電源科技有限公司生產(chǎn)的S05ID05-1W 。S05ID05-1W 為一款寬電壓輸入、雙端穩(wěn)壓輸出、高隔離的DC/DC 電源,它具有如下特點:1 內(nèi)置輸入濾波器,負載效應:±2%(0%100%負載2 過流保護點:110%150%標稱輸出電流自恢復3 工作溫度:-25/-40+854 隔離電壓:1000VDC3000VDC5 輸出紋波/噪聲(20MHz :50mVp-p Max6 開關(guān)頻率:150200KHz ,7 MTBF (平均故障間隔:200000h8 功率:0.1W2WS05ID05-1W 為本系統(tǒng)提供了5V 到正負5V

21、的轉(zhuǎn)換,不僅體積小,而且還具有高隔離和穩(wěn)壓作用。3 智能溫度傳感器硬件結(jié)構(gòu)結(jié)合上述所選元件,由AT90CAN32為處理器核心的CAN 總線智能溫度傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。圖7 智能溫度傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖 AT90CAN128儀用放大器JTAG復位電路DC/DC 變換CAN 總線收發(fā)器光藕6N137敏感元件Pt100CANH CANL V+V-晶振惠斯登電橋4 智能溫度傳感器溫度采集電路設計熱電阻與后續(xù)處理電路接線有三種方式:兩線制、三線制和四線制。兩線制接線簡單,但對引線電阻有一定要求,否則會引起較大的誤差。三線制是工業(yè)上常用的接線方式,這對于遠程安裝敏感元件(Pt100并附Pt100分度表

22、,該接線方式可以降低延長線引起的誤差。三線制連接方式常采用恒壓式、惠斯登電橋?qū)崿F(xiàn)電阻到電壓的轉(zhuǎn)換,如圖8所示。然而這種接線方式在整個量程范圍內(nèi)測量誤差也不會為零,具體原因見下文。四線制可以實現(xiàn)更高精度測量,它采用恒流供電,一般在實驗室精密測量中使用,但在工業(yè)場合中電流要做到恒流是很難的,即便做到也是成本很高。因此,我們采用工業(yè)上最為常用的三線制連接方式,如圖8所示。圖8中,r 1、r 2、r 3為延長線電阻,+5A V為電壓源,設12I I I =,則s t U I R R r r R I R R r r =+-+ (1 由于三根引線是材料相同、長度相等,即123r r r =,則1514*(

23、s t U I R R R =+-(2 其中15R 是為了避免后面的ADC 在輸入電壓為0V 時采樣不準而增加的;14R 是為了降低偏置電壓,從而使s U 與t R 成正比。很明顯,上式抵消了導線電阻產(chǎn)生的誤差電壓。但由于1I 隨t R 的溫度變化而變化,則12I I =的條件隨溫度上升而產(chǎn)生偏差。為了減弱這種誤差,一方面可以增加12R 和13R 的阻值,從而減弱t R 的變化對1I ,同時也減少了由于流過Pt100的電圖9 由LM358構(gòu)成的儀表放大器圖8 Pt100三線制接線方法流產(chǎn)生自身溫升;另一方面,可以通過數(shù)字濾波的方法來消除這種誤差。由圖8可以得出當環(huán)境溫度由0變化到100時,惠斯

24、登電橋的輸出電壓s U 從1.175256mV 變化到19.952216mV ,由此可見s U 還是非常微弱的電壓信號,還需要進行適當?shù)姆糯蟛拍芩徒oADC 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。我們采用LM358構(gòu)成的儀表放大器進行信號的放大,如圖9所示。圖9中,儀表放大器由3個LM358運算放大器組成,可以將其分為兩級來進行分析。前一級由兩個同相放大器組合而成,輸出分別是U3和U6;后一級由IC1A 和R3、R4、R9、R10組成1。對于前一級按照虛短、虛斷方法分析可得U1=U4,U2=U5的結(jié)論,則R6和R7上的電流為:1267(U U I R R -=+ (3進一步推得 1223167(*(U U R U U

25、R R -=+ (41286267(*(U U R U U R R -=-+ (5若定義:12diff U U U =-,則2828366767(*1(diff diff diff R R R R U U U U U R R R R +-=+=+(636U U -是后級的差分輸入電壓,若保證34910R R R R =,則后級是標準的差分放大器。將上述式子結(jié)合運算,則得到2832867467(*1*1(o diff diff R R R R R U U U R R R R R +=+=+(7而圖9電路中28R R =,則儀用放大器的增益公式可簡化為:2672*1(o diff R U U R

26、R =+(8可以證明,在前級的運放IC1B 和IC1C 參數(shù)匹配,即它們的外部電路參數(shù)相同且其電氣特性(包括失調(diào)參數(shù)也相同的情況下,兩個輸入端的失調(diào)所導致的輸出是相互抵消的。由運放IC1A 組成的后級是一個標準的差動運算放大器,其產(chǎn)生的輸出誤差失調(diào)在增益為1的情況下是很小的,可以忽略不計2。通過對圖9電路的分析可以知道共模干擾信號在6R 上不產(chǎn)生電流,因此共模干擾也不會得到放大,這就是說在輸出電壓中不會出現(xiàn)共模干擾信號的影響。雖然如此,我們在選擇儀表放大器的電阻時還是要選擇高精度,溫漂小的金屬電阻。由圖8和圖9可知,diff U =s U ,將(2式代入(8式得:21514672*(*1(o

27、t R U I R R R R R =+-+(9由于系統(tǒng)采用AT90CAN32片內(nèi)ADC ,且使用其內(nèi)部的2.56V 參考電壓作為ADC 基準電壓源,故通過適當選擇精密電阻2R 、6R 和7R 要使o U 在0到2.56V之間。模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用AT90CAN32內(nèi)部集成的10位AD 轉(zhuǎn)換器來進行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。如圖10所示。AT90CAN32芯片上集成了一個10位的逐次逼近型ADC ,ADC 與一個8個通道的模擬多路復用器連接,能對來自端口F 的8路單端輸入電壓進行采樣, 也可以對16路差分輸入電壓進行采樣。ADC 包括一個采樣保持電路,以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC 的電壓保持恒定。A

28、DC 由芯片的A VCC 引腳單獨提供電源,A VCC 與VCC 之間的偏差不能超過0.3±V ,標稱值為2.56V 的基準電壓和A VCC 都位于器件之內(nèi)。基準電壓可以通過在AREF 引腳上加一個電容進行解耦,以更好地抑制噪聲。本系統(tǒng)只用了通道ADC0的單端輸入。系統(tǒng)內(nèi)部及外部的數(shù)字電路都會產(chǎn)生電磁干擾(EMI,從而影響模擬測量的精度。為了得到較高的轉(zhuǎn)換精度,可以通過以下方法來減少噪聲:1 模擬通路越短越好,保證模擬信號線位于模擬地之間,并使它們與高速圖10 AT90CAN32片內(nèi)ADC 硬件接口切換的數(shù)字信號線分開。2 如圖10所示, AVCC 應通過一個LC 網(wǎng)絡與數(shù)字電壓源V

29、CC 連接。3 使用ADC 噪聲抑制器來降低來自CPU 的干擾噪聲。5 智能溫度傳感器CAN 通信電路分析AT90CAN32單片機的CAN 總線接口為PD5、PD6,為了提高單片機對CAN 總線的驅(qū)動能力,可以用82C250作為CAN 控制器和物理總線之間的接口,以提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN 控制器的差動接收能力3。為了增強CAN 總線節(jié)點的抗干擾能力,單片機的TXCAN 和RXCAN 引腳并不是直接和82C250的TXD 和RXD 相連,而是通 過高速光電耦合器6N137再與之連接,這樣就很好的實現(xiàn)了總線上各CAN 節(jié)點間的電氣隔離。6N137所使用的+5V 和5V-E 必須完全隔離

30、。電源的完全隔離采用24V 轉(zhuǎn)5V 的電源模塊和獨立5V 的開關(guān)電源。這部分雖然增加了接口電路的復雜性,卻提高了節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性,CAN 通信接口如圖11所示。82C250的S 引腳上接一個斜率電阻,電阻的大小可根據(jù)總線通信速度適當調(diào)整,一般在16140 k 之間4。6 智能溫度傳感器的JTAG 試接口AT90CAN32單片機片內(nèi)具有與IEEE 1149.1標準兼容的JTAG 接口。在設計使用中,可以通過JTAG 邊界掃描功能測試PCB ,對非易失性存儲器Flash 和EEPROM 、熔絲位和鎖定位進行編程,可以使用 A VR Studio 環(huán)境進行片上調(diào)試(OCD 。JTAG 接口有4個

31、引腳,這些引腳組成了測試訪問端口TAP 。這些引腳是:TMS :測試模式選擇。用來實現(xiàn)TAP 控圖11 CAN 通信接口圖12 JTAG 調(diào)試接口制器各個狀態(tài)之間的切換。 TCK :測試時鐘。JTAG 操作的TCK 同步時鐘。 TDI :測試數(shù)據(jù)輸入。通過此引腳移位到指令寄存器或數(shù)據(jù)寄存器。 TDO :測試數(shù)據(jù)輸出。自指令寄存器或數(shù)據(jù)寄存器串行移出數(shù)據(jù)。 JTAG 使能熔絲位沒有編程時,4個TAP 引腳為普通I/O 引腳,TAP 控制器處于復位狀態(tài)。若JTAG 使能熔絲位被編程且MCUCSR 的JTD 位清零,TAP 信號由片內(nèi)上拉電阻拉高,可以通過JTAG 接口進行邊界掃描和編程。當JTAG

32、 TAP 控制器不移出數(shù)據(jù)時,TAP 輸出引腳(TDO 懸空,因此必須接一個上拉電阻或其他硬件以拉高電壓。使能熔絲位JTAG 在芯片出廠前即已編程。對于OCD 系統(tǒng),調(diào)試器還監(jiān)控RESET 引腳以檢測外部復位源。調(diào)試器也可以將RESET 拉低以復位整個系統(tǒng)。JTAG 調(diào)試接口如圖12。7 智能溫度傳感器的電源分析本智能溫度傳感器使用到模擬和數(shù)字電源兩個部分,此外為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力,CAN 收發(fā)器的電源和MCU 電源必須采用隔離供電,作為傳感器的電源部分必須具有小體積。由3.4節(jié)可知LM358采用正負電源供電,我們采用DC/DC 變換器S05ID05-1W 來實現(xiàn)5V 到正負5V 的轉(zhuǎn)換如

33、圖13,轉(zhuǎn)換后的正負5V 用于模擬電路。而模擬電源和MCU 電源之間使用磁珠來實現(xiàn)隔離,如圖14所示。硬件設計時,為了抑制高頻和低頻信號的干擾,在每路電源進來的時候都分別加了相應的濾波電容。 8 電路原理圖設計及后期處理1. 制作電路原理圖元器件庫。雖然Protel 99SE 中提供了超過16000種元器件,并且有ANSI (美國國家標準學會、DEMORGAN 、IEEE 三種模式的豐富圖13 電源模塊圖14 模擬電源和數(shù)字電源元器件庫,但在實際應用中,有些新型的元器件就無法在庫中找到。因此要繪制新的元器件,并建立一個元器件庫,把經(jīng)常使用的元器件放入其中,使應用更加方便19。2. 制作/修改P

34、CB元器件封裝庫。在設計PCB時會遇到元器件封裝庫中沒有的PCB元器件封裝,這同樣需要創(chuàng)建一個新的PCB元器件封裝。創(chuàng)建新的元器件封裝主要有三種辦法:利用元器件封裝向?qū)?chuàng)建新、手工繪制元器件封裝和編輯、修改現(xiàn)有的封裝。PCB的元器件封裝需要對PCB的機械安裝結(jié)構(gòu)進行檢查和確認。3. 檢查電路原理圖。原理圖一定要準確、規(guī)范,否則,在以后的工作中就會遇到一系列的問題,且難以查出。因此,設計完成電路原理圖后,要檢查電路原理圖是否完全正確,并對原理圖進行一些修飾,使其可視性更好。4. 進行電氣規(guī)則測試。電氣規(guī)則測試(ERC是利用Protel 99SE軟件對設計的電路原理圖進行測試,以便檢查出不符合電氣

35、規(guī)則的地方。執(zhí)行檢查操作后,軟件會自動生成各種可能出現(xiàn)的錯誤報表,并在電路中標注出來,便于設計人員進行修改以保證PCB布線的電氣性能。5. 生成各種電路原理圖報表文件。在開發(fā)電子產(chǎn)品時,還需要一份元器件的詳細清單以便采購人員進行元器件的采購。另外,在通過Protel 99SE進行電路板布線時還需要調(diào)入網(wǎng)絡表才能工作,因此需要生成各種報表以便進行后面的工作6。9 智能傳感器PCB設計在當今激烈競爭的電子市場中,由于成本指標限制,設計人員常常使用雙面板。盡管多層板方案在尺寸、噪聲和性能方面具有明顯優(yōu)勢,成本壓力卻促使工程師們重新考慮其布線策略,采用雙面板。本智能傳感器采用雙面板布線策略。雙面板分別

36、在頂層和底層敷銅,中間是絕緣基板。上下兩層走線一般呈經(jīng)緯方向,并利用金屬化過孔(VIA使上、下兩層敷銅連接,大大提高板面的利用率。9.1 元器件的布局分析在PCB設計中,元器件的布局是一個重要環(huán)節(jié)。布局結(jié)果的好壞不僅直接影響布線的效果,而且還影響傳感器的性能,尤其是設計模擬電路部分,這一點尤為重要。因此可以這樣認為,合理的布局是PCB設計成功的第一步。布局的方式分兩種,一種是交互式布局,另一種是自動布局,一般是在自動布局的基礎(chǔ)上用交互式布局進行調(diào)整,在布局時還可根據(jù)走線的情況對元器件進行調(diào)整,使其成為便于布線的最佳布局。在布局完成后,還可對設計文件及有關(guān)信息進行返回標注于原理圖,使得PCB板中

37、的有關(guān)信息與原理圖相一致,以便在今后的建檔、更改設計能同步起來,同時對模擬的有關(guān)信息進行更新,使得能對電路的電氣性能及功能進行板級驗證。PCB布局主要考慮了以下方面的問題:PCB尺寸和器件坐標定位。元器件的空間沖突和PCB板的安裝與固定。接插件、可調(diào)整的元器件以及接插件板等的位置擺放。完成同一功能的電路,應盡量靠近放置。數(shù)字電路的頻率高,模擬電路的敏感度強。模擬量電路部分單獨設計。在每個集成電路的電源輸入腳和地之間,需加一個去耦電容。盡量做到布局均衡、疏密有序。在保證上面原則能夠?qū)崿F(xiàn)的前提下,適當修改器件的擺放,使之整齊美觀。這個步驟關(guān)系到PCB板的整體形象和下一步布線的難易程度,所以要好好考

38、慮。布局時,對不太肯定的地方可在布線的時候進行調(diào)整。9.2 PCB布線分析在PCB設計中,布線是完成產(chǎn)品設計的重要步驟,可以說前面的準備工作都是為它而做的,在整個PCB設計中,以布線的設計過程限定最高,技巧最細、工作量最大。布線的方法也有兩種:自動布線及交互式布線。自動布線的布通率,依賴于良好的布局,布線規(guī)則可以預先設定,包括走線的彎曲次數(shù)、導通孔的數(shù)目、步進的數(shù)目等。下面就智能傳感器的布線原則進行闡述。在自動布線之前,用交互式預先對要求比較嚴格的線進行布線,輸入端與輸出端的邊線盡量避免相鄰平行,以免產(chǎn)生反射干擾。必要時加地線隔離,兩相鄰層的布線要盡量互相垂直,減少寄生耦合。先進行探索式布線,

39、快速地把短線連通,然后進行迷宮式布線,先把必須布的線進行全局的布線路徑優(yōu)化,它可以根據(jù)需要斷開已布的線,并試著重新再布線,以改進總體效果。布線具體參考原則如下:電源、地線的處理既使在整個PCB板中的布線完成得都很好,但由于電源、地線的考慮不周到而引起的干擾,會使產(chǎn)品的性能下降,有時甚至影響到產(chǎn)品的成功率。所以對電源、地線的布線要認真對待,把電源、地線所產(chǎn)生的噪音干擾降到最低限度,以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。根據(jù)PCB電流的大小,盡量加粗電源線寬度,減少環(huán)路電阻。同時,使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向盡量一致,這樣有助于增強抗噪聲能力。 盡量加寬地線寬度,最好是地線比電源線寬。它們的關(guān)系是:地線>

40、;電源線>信號線,通常信號線寬為:0.30.4mm ,電源線為1.01.6 mm 。 對數(shù)字電路的PCB 用寬的地導線組成一個回路,構(gòu)成一個地網(wǎng)來使用。 用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。即大面積敷地以有效地減少EMI 電磁干擾。 模擬信號地通過接插件上的一點與信號地連接,以減少相互間的干擾,特別是地線上的噪音干擾。 晶振外殼接地,時鐘線要盡量短,且不能引得到處都是。晶振電路周圍要加大面積對地線敷銅,以使周圍電場趨近于零,其它信號線盡量繞開走線。 盡可能采用45度的折線布線,以減小高頻信號的輻射;任何信號線都不能形成環(huán)路,如不可避免,環(huán)路應盡量小;信

41、號線的過孔要盡可能少,當布線密度較高時,信號線的過孔尺寸可適當減小,但不宜過小,可采用1.0mm/0.6mm(40mil/24mil;關(guān)鍵的線盡量短而粗,并在兩邊加上保護地。智能溫度傳感器的PCB 的3D 仿真圖如圖15和16所示。具體實物參見附錄的圖-1和圖-2所示。 9.3 信號完整性問題信號完整性(Signal Integrity 簡稱SI ,是指信號在信號線上的質(zhì)量,是信號在電路中能以正確的時序和電壓作出響應的能力。當電路中信號能以正確的時序、持續(xù)的時間和電壓幅度到達IC 時,該電路就有很好的信號完整性。當信號不能正常響應時,就出現(xiàn)了信號完整性問題。像誤觸發(fā)、阻尼振蕩、過沖、欠沖等信號

42、完整性問題,從而造成時鐘間歇振蕩和數(shù)據(jù)出錯。信號的變化表現(xiàn)為IC 管腳處的電壓變化,這個電壓的變化使IC 的引腳發(fā)生狀態(tài)變化。IC將數(shù)據(jù)或時鐘作為信號送到電路板的導體或?qū)Ь€上,這些數(shù)據(jù)或圖15 智能傳感器第一層3D仿真圖板圖16 智能傳感器第二層3D 仿真圖板時鐘信號必須在要求的時間內(nèi)以一定的持續(xù)時間和電壓到達導體或?qū)Ь€。當信號不能滿足上述條件時,信號完整性問題就會出現(xiàn)21。電路板上的導線具有電阻、電容和電感等電氣特性。在高頻電路設計中,電路板線路上的電容和電感會使導線等效于一條傳輸線。傳輸線上的線路阻抗與外接負載不匹配會導致信號反向現(xiàn)象,從而引起信號完整性問題。當信號壓降太大時,信號電壓可能

43、不足以達到IC的開關(guān)門限,這時IC的狀態(tài)就不會變化。此外,IC可能無法以恰當?shù)臅r序去識別輸入數(shù)據(jù)或時鐘,每個IC都有一個電壓門限,超過這個電壓門限就可以判斷IC管腳是高是低。對于IC 的輸入時鐘來說,該狀態(tài)可決定IC的輸入管腳是否已做好接收數(shù)據(jù)的準備。如果IC無法處理時鐘數(shù)據(jù),則IC輸入管腳在某一狀態(tài)可能為“不確定”狀態(tài)19。傳輸線效應還會引起如下問題:過長的走線;過量電容或電感以及阻抗失配等會引起反射信號。驅(qū)動過載,走線過長會導致信號邊沿失真和延遲。信號變化太快會導致過沖和下沖,損壞元器件。信號串擾。信號線距離地線越近,線間距越大,產(chǎn)生的串擾信號就越小。電路工作頻率太高或者布局布線不合理會產(chǎn)

44、生電磁干擾(EMI。本電路板在布線的過程中,通過合理的規(guī)劃和布局,減少了飛線;通過屏蔽干擾源,使電路板基本沒有受到串擾的影響。經(jīng)實驗驗證,電路板測試良好,運行可靠22。10 小結(jié)前面主要介紹了智能溫度傳感器的硬件設計,詳細闡述了器件選擇、電阻信號變換電路和CAN通信電路等重要部分;指出了實際繪制傳感器PCB時應注意的事項以及抗干擾和信號完整性問題。在硬件設計的同時,必須兼顧軟件設計。?繪制傳感器PCB是一項極為重要的工作,PCB設計的好與壞直接影響到整個設計的成敗和傳感器的性能。尤其是設計儀表放大器部分的PCB。由上面分析不難看出,該電路還是存在很多缺陷,其中主要的問題就是恒壓電路的電壓不恒定就會造成很大的誤差,嚴重時會直接影響到后面的AD轉(zhuǎn)換的質(zhì)量;為此提出如下圖改進:這就完成“設計”了嗎?硬件總電路圖呢?軟件設計更是空白! 如上圖,采用電壓跟隨器來保持電壓的穩(wěn)定恒定。參考文獻1 塞爾吉歐佛朗哥著,劉樹棠譯. 基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計. 西安:西安交通大學出版社,2004,6770,1922152 Ramon Pallàs-Areny 著,張倫譯. 傳感器和信號調(diào)節(jié). 北京:清華大學出版社,2003,1415,7478,128130,4154163 支超有,高亞奎.