基于C8051F單片機(jī)的紅外軸溫探測器零點(diǎn)校正技術(shù)

摘要： 運(yùn)用Silicon Laboratories公司的 C8051F007單片機(jī)和Analog Device公司的AD620克服紅外信號(hào)采集系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移問題，詳細(xì)敘述了設(shè)計(jì)原理，介紹了軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。

引言

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，前級(jí)放大器的零點(diǎn)漂移是探測誤差的主要來源，特別是在環(huán)境惡劣的條件下。例如，用于鐵路軸溫檢測的紅外探頭，要在環(huán)境溫度—40℃至+55℃的范圍內(nèi)可靠的工作，其零點(diǎn)的溫漂范圍很大，是很難采用簡單的軟件修正和硬件補(bǔ)償技術(shù)完全解決的。本文介紹利用C8051F007單片機(jī)，在進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和處理的同時(shí)，通過片上DAC對(duì)前級(jí)放大器進(jìn)行零點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整，采用“軟硬兼施”的閉環(huán)調(diào)整方法，補(bǔ)償了系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移。

根據(jù)本課題的特點(diǎn)，由于環(huán)境溫度變化的速度十分緩慢，當(dāng)采集時(shí)間相對(duì)環(huán)境溫度變化較短時(shí)，可以認(rèn)為在采集過程中零點(diǎn)的漂移量是相對(duì)固定的。那么，當(dāng)傳感器差動(dòng)放大器的輸入端上產(chǎn)生零點(diǎn)漂移時(shí)，我們可以在非數(shù)據(jù)采集時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)地調(diào)整放大器的輸出參考點(diǎn)，抵消掉零點(diǎn)漂移帶來的影響。
此種方法同樣可用于其它傳感器零點(diǎn)漂移范圍較大、信號(hào)變化較慢的情況。

零點(diǎn)誤差的產(chǎn)生

傳感器輸出電壓V_S由零點(diǎn)電壓V_Z和信號(hào)電壓V_R組成，
V_S=V_Z+V_R
V_R是與被測量物理量直接相關(guān)的電壓，要通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。V_Z是零點(diǎn)電位，從長時(shí)間來看，V_Z往往是隨環(huán)境溫度緩慢變化的，但在較短的采集時(shí)間內(nèi)，也可以近似看作不變。

為了只將V_R進(jìn)行放大采集，我們將另行提供一個(gè)補(bǔ)償電壓V_N，并且使V_N=V_Z，將V_S和V_N輸入到一個(gè)差模放大器的兩輸入端。設(shè)放大器的增益為G，則放大器輸出為(V_Z+V_R-V_N)G。如果V_N=V_Z，則輸出為V_RG，直接得到我們需要的電壓。但實(shí)際中，V_Z會(huì)隨時(shí)間緩慢變化，我們無法時(shí)刻做到V_N=V_Z。而一旦V_N≠V_Z，輸出就會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)誤差(V_Z-V_N)G，尤其是在G很大的時(shí)候，誤差會(huì)十分明顯。

根據(jù)探測現(xiàn)場的實(shí)際情況，平時(shí)無列車通過，探頭暫停采集的時(shí)候，我們可以利用ADC不停地捕捉零點(diǎn)漂移，并通過DAC輸出補(bǔ)償電壓V_N，隨時(shí)去掉零點(diǎn)誤差。而當(dāng)列車通過探頭的時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)停止校正并鎖存DAC調(diào)零輸出，探頭以此刻DAC調(diào)整的輸出狀態(tài)作為探測零點(diǎn)開始進(jìn)行工作。

主要器件介紹

儀表放大器AD620
儀表放大器是一個(gè)雙端輸入的差動(dòng)放大器，除了高精度，高穩(wěn)定性的特點(diǎn)外，其輸出零點(diǎn)參考電壓可以通過REF管腳的電壓任意設(shè)置，這就為我們調(diào)整零漂提供了可能。

AD620的輸入端有著高達(dá)10⁹Ω的輸入阻抗；輸入失調(diào)電壓30uV，輸出失調(diào)電壓400uV。輸入偏置電流很低，通常在0.5nA最高不超過2nA；增益為100時(shí)，增益誤差0.15%；增益100時(shí)的共模抑制比高達(dá)130dB；輸入噪聲，輸出噪聲。除此以外，AD620的溫度穩(wěn)定性也十分優(yōu)異：增益大于1時(shí)，增益的溫度系數(shù)為-50ppm，輸入失調(diào)電壓和輸出失調(diào)電壓的平均溫度系數(shù)分別為0.3uV/℃和5.0uV/℃。

與通用運(yùn)放不同的是，通用運(yùn)放大多用連接在輸入與輸出間的外部電阻控制自身閉環(huán)增益，而儀表放大器采用內(nèi)部反饋網(wǎng)絡(luò)，它的增益控制電阻是不與輸入、輸出端連接在一起的，有專門用來連接增益設(shè)置電阻的引腳。AD620通過接在1、8腳之間的電阻來設(shè)置增益大小，增益G與增益設(shè)置電阻之間的關(guān)系如公式1。
  (1)
一般通用運(yùn)放的輸出都是對(duì)地輸出，而儀表放大器的輸出是相對(duì)于放大器的輸出參考引腳電位的。通過在輸出參考引腳施加不同的電壓可以設(shè)置對(duì)地輸出電壓的輸出零點(diǎn)。儀表放大器的對(duì)地輸出電壓公式如公式2。
V_O=G(V₊ -V_- )+V_REF (2)

C8051F007單片機(jī)
本設(shè)計(jì)方案需要用到高速M(fèi)CU和高精度ADC、DAC，Silicon Laboratories公司的高性能單片機(jī)C8051F007正好滿足這一需要。該單片機(jī)集成了8051內(nèi)核，但時(shí)鐘頻率更高，處理能力更強(qiáng)。片上集成8通道12位ADC和2個(gè)12位DAC，除了完成采集和處理任務(wù)之外，還有足夠的模擬部件進(jìn)行零漂調(diào)整。比用分離元件既提高了可靠性，又簡化了電路，也降低了成本。