位移传感器数据高精度采集电路设计*

2017-11-03栾红民李玉霞吴庆林曲云昭

电子器件 2017年5期

关键词：主镜差分总线

张斌,栾红民,李玉霞,吴庆林,王晶,曲云昭

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;2.中国科学院大学,北京 101400)

位移传感器数据高精度采集电路设计*

张斌1*,栾红民1,2,李玉霞1,吴庆林1,王晶1,2,曲云昭1,2

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033;2.中国科学院大学,北京 101400)

对位移传感器数据进行高精度采集是实现大型望远镜主镜位置监控的关键环节。详细分析了位移传感器数据采集电路的输入需求并依此设计硬件电路。将位移传感器信号经过缩放、滤波等调理后输入至ADC芯片ADS1259完成A/D转换;使用DSP芯片TMS320F28069读取ADS1259输出的数字信号,解码后发送给PC机进行处理与显示。同时设计了CAN总线接口,用来实现分布式采集电路组建局域网。经过测试,采集电路的有效分辨率可达到17 bit,位移采集误差小于2 μm,相对误差小于0.01%,能够实现对位移传感器信号的高精度采集,为望远镜主镜监控提供保证和依据。

位移传感器;数据采集;信号调理;CAN;望远镜

望远镜是进行深空观测与天文研究的最重要的、最基本的工具,其口径越大,集光能力越强,分辨能力越高[1]。在大型望远镜系统中,主镜是整个主光学系统的基准[2],主镜与镜室的位置关系稳定是保证光学成像质量的前提,所以需要对主镜的位置进行实时监控。主镜位置通过X、Y、Z、θX、θY、ΔR共6个自由度描述,这 6个自由度的获得需要通过安装在主镜底部与侧部的6个位移传感器的数据进行解算得出[3],图1为位移传感器布局示意图。因此对位移传感器的数据采集是实现主镜位置监控的关键环节与前提,其准确与否直接影响解算出的主镜位置的准确性,进而影响对主镜位置的监控,影响大望远镜的成像质量。

图1 位移传感器布局示意图

针对大型望远镜主镜位置监控的需求,设计位移传感器数据的高精度采集电路。位移传感器采用NovoTechnic公司的F205-1g型位移传感器,其线性量程为-2.5 mm～+2.5 mm,灵敏度为4.5 V/mm,输出差分电压信号,幅值在-11.25 V～+11.25 V之间;根据望远镜主镜相对镜室发生位移的特点,位移传感器输出的信号能量主要在几百赫兹以下,属于低频信号,但是受到的干扰特别强,如主镜支撑结构的震动所造成的干扰、工频干扰以及信号接地不良所引起的干扰等[4]。所以,设计位移传感器数据采集电路主要实现以下功能:对信号进行缩放与滤波,将其从噪声中提取出来并满足ADC输入的幅值要求;然后输入至ADC芯片完成A/D转换过程;此外采用DSP处理器对转换后的数字信号进行读取与处理。

1 总体设计

因为要对主镜上6个位置的位移信息进行采集,所以采集电路的设计有两种方案:其一,设计多通道数据采集电路,然后通过长导线连接至位移传感器;其二,设计单通道的数据采集电路,分别与每个位移传感器就近连接,然后利用总线技术将分布式采集电路组网。方案一使用一套PCB板即可,但是位移传感器与采集电路之间的长导线受外界影响会引入噪声,影响测量结果[5];此外位移传感器输出电压信号,经过长距离传输产生的衰减也会造成测量误差。方案二需要使用6套采集电路,成本较高,但是位移传感器与采集电路之间的连线短,布线简单,而且引入的噪声较方案一大幅度降低,测量结果更为精确。综上,采用第2种方案进行设计,即设计单通道的位移传感器数据采集电路,然后利用总线技术组网实现主镜6个自由度位移信息的测量。

有多种总线可实现局域网组建,本文主要分析3种总线技术:以太网、RS485以及CAN总线。以太网支持TCP/IP的一系列协议,其中的TCP协议设计成熟,使用广泛,可以10 Mbit/s的速率进行数据传输,并且能够纠错检错保证可靠性。但是TCP协议传输的每条信息都需要附加至少70 byte的帧头[6],而在本文所设计的采集电路中,大部分信息都在4 byte～8 byte之间,使用TCP协议组网的效率会非常低下。RS485总线采用差分格式传输信息,通信距离长,支持多点通信。但是RS485总线没有标准的通信协议与纠错检错机制,需要自定义,可靠性不高;而且由于RS485采用主机轮询、下位机应答的机制解决数据冲突的问题,实时性不高,效率较低[7-8]。CAN总线又称局域控制网,节点不分主从,采用优先级方式仲裁总线,自带校验检错功能,一般使用双绞线进行传输,布线简单而且可靠性高,其最高速率可达1M/s,实时性比较高[5,9]。综合考虑,本文选取CAN接口进行组网设计。

对于位移传感器输出的差分信号,有两种方式对其进行滤波:(1)对差分信号线上的两路信号分别滤波;这种方式简单易行,但是要求两路信号上的滤波环节中的各元件参数严格匹配,否则会使差分线上的两路信号产生相位以及幅值上的偏差,从而产生测量误差。(2)将差分信号转换为单端信号,然后滤波;该方法虽然额外加入了差分转单端的环节,但是能够较好的实现信号的滤波,并且不会引入方式1中产生的测量误差。本文采用第2种方式进行滤波。

综上所述,设计位移传感器采集电路原理框图如图2所示。基本思想是调理电路部分使用仪表放大器接收位移传感器信号,实现差分至单端的转换;转换后的单端信号经过低通滤波器后由差分放大器转换为差分信号输入至ADC芯片转换为数字信号;使用DSP芯片F28069作为处理器接收ADC输出的数字信号,解析后通过RS422接口发送给PC机;设计CAN总线接口用来实现分布式采集电路的组网。

2 电路设计

2.1 信号调理与转换电路

信号调理与转换电路由前置电路、滤波电路、ADC转换电路以及ADC参考电源电路构成,具体如图3所示。

图3 信号调理与转换电路原理图

根据佛里斯公式可知,前置电路的噪声系数对系统的总噪声系数影响最大,故要求前置电路必须噪声小、增益稳定、抗干扰能力强[10]。采用低噪声仪表放大器AD8221接收位移传感器输出的差分信号,实现差分至单端的转换。RG端开路,设置为单位增益,可使其具有80 dB以上的共模抑制能力,能够抑制传感器与电路之间长导线拾取的共模噪声。电路前端采用阻容式射频滤波器,抑制射频噪声,防止其破坏测量结果,同时也在测量带宽内维持了较高的输入阻抗,避免增加信号源的负载。将差分信号转换成单端信号后,为了满足ADC的量程,使用ADA4004设计反相放大器,增益为0.2,使信号缩放至ADC的输入幅值要求范围内。

为了限制噪声带宽并避免混叠,设计低通滤波电路将信号从噪声中提取出来。因为Butterworth 滤波器通带内的幅频响应曲线非常平坦,能保证采集器精度,所以本文设计Butterworth低通滤波器实现滤波功能。理论上说,低通滤波电路阶数越高,滤波的效果越好。但是考虑到阶数增高带来的设计与调试问题,本文选择二阶低通滤波。图3中所示为2极点单位增益Sallen-Key滤波器[11],相关公式如下:

(1)

(2)

(3)

经过计算,可得到该滤波器的截止频率大约为1 kHz,Q值为0.71。该滤波器仅允许目标频率通过,从而防止ADC对混叠频率进行采样;同时,在单位增益的Sallen-Key滤波器中,运算放大器被用作单位增益缓冲器,使其具有高增益精度,提高信号采集质量。

ADC芯片是采集电路的核心器件,其性能将对系统精度产生重大的影响。选用24位ADC芯片ADS1259进行数据转换;ADS1259具有高达14 ksample/s的可配置采样速率,内部集成了Δ-Σ调制器,具有出色的噪声抑制性能和线性特性[12]。ADC采用全差分输入设计,不仅具备良好的共模噪声抑制特性,同时也可以将二次失真改变为共模噪声进行抑制;使用差分放大器AD8476作为驱动芯片将单端信号转换为差分信号输入至ADC。ADC的参考输入采用ADR431基准电压芯片提供,相对于ADC芯片的片上基准,ADR431具有更小的噪声,更高的精度和稳定性;因为ADS1259参考输入端内部没有缓冲器,所以外接运放OPA227提高参考电压的驱动能力。转换后的数字信号通过SPI接口输出。

2.2 DSP处理电路

选择C2000系列DSP芯片F28069作为处理器,实现数字信号的读取与解析以及与PC机通信和组网等功能,电路框图如图4所示。

图4 DSP处理电路结构图

DSP通过SPI总线和ADS1259通信,对其进行功能配置以及数据读取;通过RS422总线与PC机通信;通过I2C总线与片外存储器24C512通信,对关键配置数据与位移数据进行存储;利用CAN总线实现分布式采集电路组网,各CAN网络节点在数据传输时报文的优先级通过读取拨码开关进行配置,同时,利用报文的优先级来表征各CAN网络节点的地址编号。

A/D采集是一个非常复杂的问题,要有效去除干扰,除了合理的原理图设计,也要考虑硬件电路的布局布线,例如去耦电容尽量靠近电源引脚、模拟地与数字地分割等[13]。

3 DSP软件设计

DSP软件通过搭建前后台系统,实现采集与通信功能,流程如图5所示。

图5 DSP软件流程图

初始化过程包括外设接口初始化以及ADS1259初始化;其中,CAN接口的ID设置需要读取拨码开关确定,CAN接口配置完成后,进行自检测,判断本节点是否正常;ADS1259初始化包括工作条件设置、工作模式设置以及偏置校正与增益校正设置,配置完毕后,从ADC芯片读回配置数据,判断是否正确写入,并将配置数据通过I2C接口发送至24C512供主控制器查询。

ADS1259在每次数据采集完成后,向DSP发送外部中断信号,DSP在外部中断中通过SPI接口读取采集数据,并校验与解析,若校验正确,将数据通过SCI接口发送至PC机进行显示。解析过程依据表1所示的数据格式实现。

表1 传感器数据格式

CAN网络通信以广播的形式进行,各节点收到报文后,组织数据包发送;数据包分为位移传感器数据以及节点工作状态数据两种,根据解析后的报文选择发送给主控制器;若CAN接口出现通信故障,在CAN错误中断中重新进行初始化,复位CAN控制器,使错误节点尽快恢复总线通信。

此外,软件设计中配置一个定时器,用来监测各外设接口的状态寄存器,若检查到有错误发生,则重新初始化该接口。

4 测量结果及分析

设计完成后进行了实验测试,包括CAN接口测试与采集性能测试。CAN接口测试通过使用周立功公司的USBCAN适配器与PC机通信进行;测试中CAN接口通信正常,能够实现组网功能。采集性能是测试的核心部分,主要从两个角度进行考察:精密性以及正确性,其中,精密性表明测量结果的分散程度即测量中随机误差的大小,正确性表明测量结果偏离真值大小的程度即测量中系统误差的大小[14]。

因无法精确获得位移传感器伸缩的位移量,所以测试时将位移传感器固定后,使用FLUKE公司的数字精密台式万用表采集其输出电压作为采集电路的参考;该万用表型号为8846A,测量精度为0.002 4%。

4.1 测量结果

将位移传感器伸缩至不同位移量,固定好后使用8846A型台式万用表测量,其值作为位移传感器实际输出电压值;使用采集电路采集1 000次求平均后作为测量值。测量数据如表2所示。

图6 测量曲线

序号万用表/V采集电路/V偏差/V相对误差1-8．24698-8．25513 0．008150．0098%2-7．35401-7．34968-0．004330．0058%3-4．71861-4．71406-0．004550．0096%43．548653．546530．002120．0059%54．743624．74833-0．004710．0099%67．740597．733240．007350．0095%

由表2可以看出,采集电路测量值与万用表测量值的偏差小于10 mV,折算成位移误差小于2 μm,相对误差小于0.01%。图6分别是测量值为7.733 24 V与-4.714 06 V时的测量曲线,采集频率为100 Hz,采集时间为10 s。可以看出,数据波动小于0.2 mV,即采集电路可达到17 bit的稳定分辨率。综上,采集电路具有良好的精密性与正确性,可以满足大型望远镜主镜位置监控的需求。

为了测试采集电路本身所带来的噪声,将位移传感器差分信号输入接口短接,测量结果如图7所示。可见,采集电路内部噪声小于30 μV。

图7 采集电路内部噪声曲线

4.2 误差来源分析

在实验测试中发现,主要有以下因素会造成采集误差:

(1)温度因素所使用的位移传感器的温度漂移特性为0.45 mV/℃,该因素对长时间测量时引起的误差较为明显,所以测量结果需要在后续数据处理中进行温度校正;

(2)测试时人员走动等因素造成测试平台的振动也会引起一定的误差。

(3)此外,经过分析,位移传感器本身特性,例如灵敏度、线性度等也会对测量结果产生影响;其中传感器的灵敏度系数的重复性对测量误差的影响较为明显,呈线性趋势,应在使用时对位移传感器进行标定。

需要说明的是,本文中的测试过程产生的误差不包含机械因素引起的误差,如位移传感器的安装误差以及调零误差、望远镜主镜支撑结构的装调误差等。而这些因素在本电路使用时是必须要考虑的,应保证每个环节的安装误差小于测量误差要求的10%。

5 总结

针对大型望远镜主镜位置监控的需求,设计位移

传感器数据采集电路。经过分析,采取利用CAN总线将分布式采集电路组网的方案实现主镜6个自由度位置信息的测量。采集电路将差分信号转换为单端信号,经过缩放与滤波后再转换为差分信号输入至ADS1259实现A/D转换;采用TMS320F28069实现数字信号的读取与解析,以及相关接口通信。测试结果表明,本电路的有效分辨率达到17bit,位移采集误差小于2 μm,相对误差小于0.01%,可以应用于大型望远镜系统中,为主镜位置监控提供依据和保证。

[1] 程景全. 天文望远镜原理和设计[M]. 北京:中国科学技术出版社,2002:8-16.

[2] Hovsepian T,Michelin J L,Stanghellini S.Design and Tests of the VLT M1 Mirror Passive and Active Supporting System[J]. SPIE,1998:424-435.

[3] 李玉霞,刘昌华,王建立,等. 大型望远镜主镜位姿解算与检测系统设计[J]. 电子测量与仪器学报,2015,29(5):766-774.

[4] Scott Ellington. Disturbance Rejection of the WIYN Telescope Position Control Servo System[J]. SPIE,(2479):278-288.

[5] 宋全伟,甄国涌,刘东海. 基于 CAN 总线的多通道数据采集系统设计[J]. 电子器件,2015,38(5):1076-4080.

[6] 刘彬. 工业以太网性能测试与组网优化[D]. 杭州:浙江大学,2010.

[7] 宋跃,杨雷,雷瑞庭,等. 基于ARM9 与LINUX的RS485总线的通信接口设计[J]. 仪表技术与传感器,2014(5):35-37.

[8] 凌国平,周新建. 如何提高测控系统中 RS485通信的可靠性[J]. 传感技术学报,2005,18(8):470-471,476.

[9] 李平,魏长宝. CAN总线检测系统的多接口设计研究[J]. 电子器件,2015,38(4):917-921.

[10] 于向前,陈鸿飞,邹鸿,等. 极微弱准直流电流信号测量电路的设计[J]. 仪表技术与传感器,2015(8):62-64.

[11] 官泳华. 基于MEMS的电容式传感器信号调理电路设计[J]. 电子器件,2016,39(3):551-557.

[12] 秦晓霞,高艳,余辉洋. 一种宽量程气压传感器的接口电路设计与测试标定[J]. 传感技术学报,2015,28(3):320-324.

[13] 郝晓明,李杰,黄玉岗. 基于ADS8568的八路数据采集系统设计[J]. 传感技术学报,2016,29(1):150-154.

[14] 陶红艳,余成波. 传感器与现代检测技术[M]. 北京:清华大学出版社,2010:10-18.

DesignofHighPrecisionDataAcquisitionCircuitofDisplacementSensor*

ZHANGBin1*,LUANHongmin1,2,LIYuxia1,WUQinglin1,WANGJing1,2,QUYunzhao1,2

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.University of Science Academy of Sciences,Beijing 101400,China)

High precision acquisition of displacement transducer data is the key link to realize the position monitoring and controlling of the primary mirror of large telescope. Input requirements of the acquisition circuit,according to which hardwares are designed,are analyzed in detail. The displacement transducer signal is conditioned by scaling and filtering,then inputs to the ADC chip ADS1259 to realize A/D conversion. DSP chip TMS320F28069 is used to read the digital data output by ADS1259,and to sent them to PC for processing and display after decoding. Meanwhile,the CAN bus interface is designed to establish the LAN between distributed acquisition circuit. After testing,the effective resolution can reach 17 bit,and acquisition displacement error less than 2 μm,the relative error is less than 0.01%,the acquisition circuit could collect the displacement transducer signal with high precision,and provides the guarantee and foundation for the telescope primary mirror monitoring and controlling.

displacement transducer;data acquisition;signal condition;CAN;telescope

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.029

项目来源:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所重大创新项目专项基金项目(Y3C122E130)

2016-07-17修改日期2016-09-06

TN710

1005-9490(2017)05-1204-05