基于C51的多通道高精度电压转换模块设计*

王志伟，陆锦军

（江苏信息职业技术学院电气工程系，江苏无锡214153）



基于C51的多通道高精度电压转换模块设计*

王志伟*，陆锦军

（江苏信息职业技术学院电气工程系，江苏无锡214153）

摘要：为满足不同工业现场调校热电偶及后级控制器的需要，实现高精度温度测量，设计了多通道高精度电压转换模块。硬件系统以C8051F064为控制核心，利用AD8572等高性能芯片及军品级精密分立器件搭建线性运放电路，运用16 bit DA转换器MAX5541实现高分辨率转换输出，用以产生符合后级测控所需的标准双极性信号。通过逐点给定0～10 V输入电压测试实物输出，实测结果证明，该模块具有稳定性好，转换精度高（可达±0.01%）等特点，完全满足不同工业现场的测控需要。

关键词：电压转换模块；高精度；实物测试；SPI总线；线性度

热电偶是工业现场最常用的测温器件，但因为其输出电压等级低、线性度易随外界因素变化，影响着工业现场控制器的测控精度，该转换模块不仅在硬件上的角度上，具体从元件选型、电路搭建以及PCB布局等方面优化硬件设计，确保整个系统每一个环节不出现短板，同时在软件上对AD转换及DA转换实施实时跟踪校准，该模块实测结果各项指标均超过了设计要求，完全满足了航空、冶金等工业现场搭建高精度温度测控系统的要求［1］。

1　系统总体设计

系统由前级输入电路、C8051F064、串行DA转换电路等后级输出电路组成，整体框图如图1所示。

该电路电路设计参数为：热电偶输入电压为0～10 V，后级输出两路隔离电压范围：-10 mV~100 mV，转换精度优于±0.02% FS，输出电压满量程80%~ 90%转换时间小于20 ms，驱动负载阻抗不小于3 kΩ，负载稳定度≤0.1%，并可通过硬件和软件实现输出范围的调整。为实现电压转换的超高精度，要求每一部分电路核心部件采用高性能集成电路及高精度军品级分立元器件［2］。

图1　统整体设计框图

2　系统电路设计

2.1系统供电电源设计

为保证转换精度的需要，系统需要高精度的供电电源，由于后级控制器提供了+24 V的直流电源，现需将此电压转换为±5 V、5 V、3.3 VD、 3.3 VA，系统选择了高精度电源模块IA2405S-1W5和IB2405LS-W75，其在输入电压变化为± 5%时，输出电压变化不超过±0.25%；负载调节率，在负载10%～100%变化时，其输出电压变化不超过±1%；同时通过高精度电源转换芯片AMS1117-3.3给单片机提供供电电压［3］。

图2　系统DC-DC供电模块

2.2前级输入电路设计

前级电路包括了分压转换电路、超高精度基准电压源。基准电路选用超高精度带隙基准电压源AD780，为单片机系统提供2.5 V基准电压VREF0，它具有低初始误差、低温度漂移和低输出噪声（100 nV/√Hz），精度可达±1 mV（最大值）的特点，非常适合用于增强高分辨率ADC和DAC的性能，以及任何通用精密基准电压源应用。分压转换电路由分压电路及电压跟随器组成，其中分压电路由精密电阻EE4、EE5及EE6进行分压，3个电阻采用0.02%高精度电阻，其组成分压电路的分压比为4∶1（即将热电偶的0～10 V转换为C8051所能处理的0～2.5 V电压），并由双通道、单电源CMOS精密输入放大器AD8572组成电压跟随器，其具有极低失调电压、宽信号带宽以及低输入电压和电流噪声等特性，在该电路有效提高了输入电阻，优化了信号特性，电路图3所示［4］。

图3　系统单路分压电路及基准电压源

2.3单片机配置

系统选用C8051F064作为控制核心，C8051F单片机是完全集成的混合信号系统芯片（SoC），具有高速、高性能、高集成度等特点，适应于工作温度为（-40℃～+84℃）及工业级现场，并具有两个16 bit AD转换接口，完全满足系统电压的转换精度需要［5］。

同时系统选用了惠普公司生产的双通道高速光耦合器，其具有转换速度快（光耦合时间可达10 ns级），最大波特率可达10 Mbit/s，以此选为单片机D/A与输出电路的电气隔离。

2.4后级输出设计

系统输出电路分两路输出，如图4所示为DA转换电路和单路输出电路。

图4　系统单片机电路配置

系统选用串行输入16 bit数模转换器MAX5541，其采用5 V单电源供电，具有转换精度高、转换时间短（1 μs级）、功耗低（1.5 mW）、输出范围为0~VREF0。采用多功能三线式接口，并且与SPI等接口标准兼容。本项目中C8051F064输出16 bit串行数据给MAX5541，通过AD8675进行放大，利用SPI总线并通过P0.4、P0.5进行片选输出［6］。

后级输出选用的精密运算放大器AD8675具有超低失调（μV级）、极低电压噪声（nV级）、低输入偏置电流（nA级）、低输入失调漂移（0.6 μV/℃）、放大信号范围宽，其带宽可达10 MHz，可应用于热电偶放大器、精密仪器等场合，如图5电路，由其组成两级放大的输出电路，其中第一级为同相比例运放电路，其输出电压为uo=EE7和EE8均采用0.02%精密电阻，通过调节EE7 和EE8的大小调节输出电压的范围。而后级电路放大倍数为1，主要作用为进一步改善电路的输出电阻等特性参数，同时两级电路均采用了零偏校准电路以进一步提高输出精度［7］。

图5　系统输出电路单路设计

3　系统程序设计

系统按模块化方式编程，其主要程序块包括初始化、AD转换、ADC校准、DA转换等程序块，流程图如图6所示［8］。

图6　系统程序流程图

3.1初始化程序

初始化程序包含了端口配置、SPI总线配置、参考电压配置初始化等。

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转换程序

void Main（void）

{ UINT16 SamplingA，SamplingB；//采样

UINT32 VolA，VolB；//输入电压

#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转换---------*/

{SFRPAGE=ADC0_PAGE；

i

f（AD0INT）

{VolA+=ADC0；

AD0INT=0；

AD0BUSY=1；

if（--SamplingA==0）

{VolA/=SAMPLINGS；

#ifdef_ADC_DEBUG_ //ADC校准

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转换程序

按照DA转换器16 bit的特点，其理论转换精度可达1/65536，通过调整相关初始参数也可调节输出范围。

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　结论

本文利用单片机（C8051F064）及高性能输入输出电路搭建了高精度双通道转换模块，通过合理布置PCB元件及布线，通过对电路给定输入电压理论值从0.05 V、0.1 V、1 V～10 V变化的过程中测试12点电压，每一点测试时间为20s，每一点观察电压在20 s内的最大值和最小值并记录，从表1满量程稳态精度可看出，满量程稳态精度均远远低于0.01%，故转换精度、电压稳定度等参数均满足设计要求，证明了设计电路的正确性、合理性和实用性。

表1　测试数据表

参考文献：

［1］陈玉林.新型热电偶温度测量仪的研制［J］.实验室研究与探索，2009，28（4）：31-33.

［2］孔繁军，戴晶，潘婧.一种热电偶测量仪表的校准方法［J］.舰船科学技术，2012，34（8）：109-111，118.

［3］杨宁，史仪凯，袁小庆.高精度、低功耗带隙基准源及其电流源设计［J］.传感技术学报，2014，27（1）：58-63.

［4］任殿慧，周巧娣，章雪挺.一种铂电阻测温电路的非线性校正方法［J］.电子器件，2010，33（5）：603-606.

［5］李楠，王举.基于C8051F064单片机的数据采集系统［J］.计量与测试技术，2013，40（8）：7-11.

［6］李伟，陈明，李平. Windows CE下基于SPI总线的双机通信技术［J］.测控技术，2010，29（3）：55-58，62.

［7］唐晓茜.基于C8051F064的静态应变仪器的设计［J］.机械制造，2009，47（536）：26-28.

［8］吴来杰，严隽薇，刘敏.基于数值计算的热电偶测温［J］.仪表技术与传感器，2009，15（5）：94-95.

王志伟（1974-），男，汉族，江苏无锡人，就职于江苏信息职业技术学院电气工程系，硕士，副教授/高级工程师，教师，主要研究方向为单片机系统的研究与开发，wangzhiwei2589@163.com；

陆锦军（1962-），男，江苏南通人，就职于江苏信息职业技术学院，博士，教授/博导，副院长，主要研究方向为自动控制系统的研究与开发。

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：项目来源：江苏省科技厅前瞻性产学研研究专项基金项目（BY2013016）2015-04-12修改日期：2015-05-11

中图分类号：TP216

文献标识码：A

文章编号：1005-9490（2016）01-0036-05