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宽温度范围下多通道高精度模拟量输出板卡设计.pdf
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1、2024 年第 1 期仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor收稿日期:2023-06-09宽温度范围下多通道高精度模拟量输出板卡设计高晨程,洪应平,党立志,张会新中北大学微纳器件与系统教育部重点实验室 摘要:针对无人机综合测试领域对复杂温度环境下模拟量信号输出的精度以及通道数量的需求,设计了一种宽温度范围下多通道高精度模拟量输出板卡。系统采用 FPGA 作为主控单元,使用分辨率为 16 位的 D/A 转换器 AD5372,利用 DS18B20 温度传感器实时监测系统工作温度,进行模拟量输出的温度校准,最终实现在 085 条件下精准输出 64
2、 路模拟量信号,输出范围在-1010 V。为提高通用性和标准性,系统支持千兆以太网、LVDS、RS422 3 种数据通讯接口,并配备上位机软件实现人机交互。经实际工程验证,在 085 条件下输出的模拟量信号误差均在0.5 mV 以内,符合系统设计指标,为无人机测试领域产生多通道高质量的模拟量信号提供了成熟可靠的工程化解决方案。关键词:无人机测试系统;温度校准;高精度;模拟量;FPGA中图分类号:TN710 文献标识码:ADesign of Multi-channel High-precision Analog OutputBoard in Wide Temperature RangeGAO C
3、hencheng,HONG Yingping,DANG Lizhi,ZHANG HuixinKey Laboratory of Micro/nano Devices and Systems,Ministry of Education,North University of ChinaAbstract:Aiming at the requirements of the accuracy of analog signal output and the number of channels in complex temper-ature environment in the field of unm
4、anned aerial vehicle comprehensive test,a multi-channel high-precision analog output board in a wide temperature range was designed.The system used FPGA as the main control unit,used a 16-bit D/A converter AD5372,used DS18B20 temperature sensor to monitor the working temperature of the system in rea
5、l time,and calibrated the tem-perature of the analog output.Finally,64 analog signals were accurately output at 085,and the output range was-1010 V.In order to improve the versatility and standard,the system supported three data communication interfaces of Gigabit Ethernet,LVDS and RS422,and was equ
6、ipped with host computer software to realize human-computer interaction.Through practical engi-neering verification,the error of the output analog signal under the condition of 085 is within 0.5 mV,which meets the sys-tem design index,and provides a reliable engineering solution for generating multi
7、-channel high-quality analog signals in the field of unmanned aerial vehicle testing.Keywords:unmanned aerial vehicle testing system;temperature calibration;high precision;analog quantity;FPGA0 引言随着通信技术、计算机技术以及自主控制技术等关键技术的发展1,人们对无人机的研究进一步深入,无人机的应用领域也变得更加广泛。在无人机产品研制和使用的过程中,为了确保产品质量,必须开展相应的测试2,无人机测试系统
8、的研究和设计是无人机研制过程中的一部分。作为无人机综合测试系统的基本单元,模拟量输出系统可按上位机配置的波形数据对传感器进行模拟,为飞控计算机注入测试数据,因此,对多通道高精度的模拟量输出系统的研究是十分必要的。传统的模拟量输出系统多采用软件方法进行标定补偿来提高输出信号的精度,没有考虑温度变化带来的输出误差3-9。由于设备所处的环境不同,温度会相应地发生变化,即使是在同一个环境下,一天之内不同的时间段室温也不尽相同。如果不能及时的进行校准,温度的变化会使输出量发生偏移,导致输出结果产生误差10。为了避免此类情况的发生,本设计考虑了温度变化对输出模拟量质量的影响,设计了一种可适应宽范围温度变化
9、的多通道高精度模拟量输出板卡,并成功服务于实际无人机测试系统中。试验结果表明,本系统能够实现 64 路单独控制的-1010 V 的模拟量电压信号输出,通过温度校准使之可以适应 085 范围内的温度变化,并保证其输出电压52 仪 表 技 术 与 传 感 器第 1 期的误差均控制在0.5 mV 以内。1 总体设计方案根据模块化设计思想并结合实际项目指标需求,本系统采用 FPGA 作为主控芯片,通过千兆以太网、RS422 或 LVDS 接口与其他设备交互数据和指令,可根据实际情况选择合适的接口;通过 SPI 串行接口控制 2 个 D/A 转换芯片 AD5372,每个 AD5372 芯片提供 32 路
10、模拟量;每一路模拟量信号均通过由 LT6023组成的电压跟随器输出,以提高电路电压信号输出能力;为了适应不同工作环境下的温度变化,通过单总线接口与 DS18B20 温度传感器通讯,实时检测温度变化。除此以外系统还有电源管理模块,完成系统中各个器件所需电压的转换。系统的总体框图如图 1所示。图 1 系统总体框图2 关键硬件电路设计2.1 系统电源管理模块设计为确保系统正常运行,要求电源模块提供足够的功率,支持所有功能子模块的供电,同时系统内各子模块对电源的需求不同,需要电源模块提供符合标准的电压。在本模拟量输出板卡中,D/A 转换芯片、电压跟随电路均需要15 V 的双电源供电,D/A 转换芯片的
11、基准电压电路需要 15 V 供电,提供 5 V 基准电压给 D/A 芯 片,温 控 芯 片 需 要 5 V 供 电,故 采 用TPS65131 电源芯片,该芯片能提供最高15 V 的双输出电源,而仅需 2.75.5 V 的供电电压。主控 FPGA电源轨通过 TLV62130 电源芯片进行供电。外部电源输入为+24 V 的直流电压,通过 TP5430 转换模块获得5 V 的输出电压给 2 块电源转换芯片供电。对于需要直流供电的设备,系统设计了 24 V 输入反接保护电路,其电路如图 2 所示。在电源正常工作期间,电流通过 MOS 管的体二极管流向负载端,给负载供电,MOS 管导通;当电源极性反转
12、时,栅极电压变为正电压,并将 MOS 管关断,从而保护后级电路免受负电压影响。2.2 D/A 转换电路设计数模转换电路是直流量输出板卡的核心,其转换精度直接影响输出电压精度,因此选择合适的 D/A 芯片十分重要11。本设计要求输出 64 路、电压范围在图 2 输入反接保护电路原理图-10+10 V 的模拟量信号,综合考虑系统指标、芯片体积、功耗等方面的影响,系统搭载了 2 片 DAC 芯片AD5372 来实现此功能。AD5372 是一款电压输出型DAC 芯片,分辨率为 16 bit,支持最高 50 MHz 的标准串行 SPI 接口,简化电路及程序设计。每片 AD5372在单封装中集成 32 个
13、 DAC 通道和 32 个输出放大器,可提供多种独立的输出电压范围,另外还有允许用户可编程失调和增益的系统校准功能,可根据输出误差调节寄存器值完成不同温度下的校准。D/A 转换电路包含除 DAC 芯片 AD5372 组成的转换电路本身以外,还需要 ADR435BRZ 组成高精度基准电压电路。在本设计要求中,输出电压范围为-10+10 V,输出跨度 20 V。根据芯片数据手册可知 AD5372 的输出电压跨度等于需提供的参考电压的4 倍,故选用 ADR435BRZ 提供 DAC 参考电压,电压值为 5 V,其电路原理图如图 3 所示。此外,为了增强输62 第 1 期高晨程等:宽温度范围下多通道高
14、精度模拟量输出板卡设计 出电压信号的驱动能力、起到隔离和缓冲的作用,在D/A 转换电路后需要加入电压跟随电路,由于本设计输出 64 路模拟量信号,故共选用 64 片 LT6023 芯片组成电压跟随器。图 3 D/A 转换电路原理图2.3 温度采集电路设计根据设计要求,板卡要能在 085 条件下稳定输出,因此温度反馈是必要的。本设计选用 DS18B20温度传感器实现温度测量与反馈,其测温范围是-55+125,满足设计要求。DS18B20 使用单总线数据接口,有效降低硬件电路复杂性,其电路原理图如图4 所示。图 4 温度采集电路原理图2.4 数据通信电路设计无人机测试系统不仅需要通过工控计算机控制
15、模拟量输出,同时还要与其他系统内的板卡通过RS422、LVDS 接口交互数据,故需要设计 3 路通信电路。选择 RTL8211E 协议芯片实现千兆以太网功能,以实现与工控计算机的通信。RTL8211E 为 QFN 封装,且无需变压器耦合,大大降低了板卡硬件设计复杂度,有效减小电路面积,更易实现板卡在机柜中的安装。RS422 选择 ADM3491 协议芯片实现,该芯片最高可实现 10 Mbit/s 的串行通信速度。对于 LVDS 接口,选 用 SN65LVDS388 实 现 接 收 功 能,选 用SN65LVDS389 实现发送功能。3 温度校准流程设计3.1 系统温度校准原理对于 AD5372
16、 芯片,每个 DAC 通道具有 7 个数据寄存器,其结构如图 5 所示。根据控制寄存器中 A/B位的设置,实际 DAC 数据字可以写入 X1A 或 X1B 输入寄存器。如果 A/B 位为 0,数据写入 X1A 寄存器。如果 A/B 位为 1,数据写入 X1B 寄存器。此位是一个全局控制位,影响器件中的所有 DAC 通道,在本设计中,A/B 位设置为 0,数据写入 X1A 寄存器。每个DAC 通道还有一个增益寄存器 M 和一个偏置寄存器C,用于消除整个信号链的增益和偏置误差。X1A 寄存器的数据通过数字乘法器和加法器调整处理,后两者受寄存器 M 和 C 的内容控制。校准后的 DAC 数据存储在
17、X2A 寄存器中。同样,该乘法器和加法器也会对 X1B 寄存器的数据进行调整处理,并存储在 X2B寄存器中。X2A 和 X2B 寄存器输出的数据,通过一个多路复用器路由至最终 DAC 寄存器,并输出模拟量。图 5 单个 DAC 通道相关寄存器除上述寄存器以外,AD5372 芯片还具备组偏置寄存器 OFS,该寄存器对所有输出通道有效,利用该特性可对芯片输出做初步的调整,使输出电压处于设计要求范围附近,即粗标定。在本设计中,要求系统能在 085 范围内精准输出模拟量,故需要进行温度标定。利用芯片每个通道都具备增益寄存器和偏置寄存器的特性,系统在不同温度下调节两寄存器的值,使得输出模拟量在设计范围内
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