基于SOC的高精度傾角測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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1．4 SOC微控制器資源分配
本設(shè)計(jì)選用Silicon Labs公司的C8051F350作為處理核心。C8051F350是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)(SOC)，它自帶8K字節(jié)Flash存儲(chǔ)器，可在系統(tǒng)編程；集成了1個(gè)全差分24位Siva-Delta模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，該ADC具有在片校準(zhǔn)功能，2個(gè)獨(dú)立的數(shù)字抽取濾波器可被編程到1 kHz的采樣率；具有2路UART和1路SPI接口。與其他類型的微控制器實(shí)現(xiàn)相同功能需要多個(gè)芯片的組合才能完成相比，C8051F350不僅減少了系統(tǒng)成本和系統(tǒng)體積，而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
設(shè)計(jì)中采用C8051F350的24位Sigma-Delta模／數(shù)轉(zhuǎn)換器作系統(tǒng)信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，SPI接口作MEMS傾角傳感器的溫度采集，以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償，UART作串行LED顯示接口。為保證模／數(shù)轉(zhuǎn)換器工作穩(wěn)定，采用外部基準(zhǔn)源。
1．5 ADC基準(zhǔn)源及傳感器電源
MEMS傾角傳感器SCA100T在傾角為0°時(shí)，模擬輸出為其電源電壓的1／2倍，如果傾角傳感器電源電壓有波動(dòng)，則其輸出會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)。因此設(shè)計(jì)時(shí)，將給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)源的輸出(如圖4所示)，經(jīng)過提高驅(qū)動(dòng)能力后，提供給MEMS傾角傳感器SCA100T作電源(如圖5所示)。一方面，基準(zhǔn)源輸出紋波極小，且性能穩(wěn)定；另一方面，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)源和MEMS傾角傳感器SCA100T的電源同時(shí)向相同方向變化，抵消了MEMS傾角傳感器因電源引起零點(diǎn)漂移的影響。
圖4中的基準(zhǔn)源LM236輸出的2．5 V電壓經(jīng)過軌對(duì)軌運(yùn)放OPA340組成的跟隨電路處理后，增大了驅(qū)動(dòng)能力，既作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的基準(zhǔn)源，同時(shí)還為差分轉(zhuǎn)換電路提供中心電壓，以及MEMS傾角傳感器SCA100T的電源輸入。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/162331.htm
圖5中的輸入為圖4中的參考電壓(VREF)輸出。以低漂移、高穩(wěn)定性運(yùn)放OPA340組成的運(yùn)放電路給傾角傳感器SCA100T提供電源，能保證電源紋波小，工作穩(wěn)定。
2 信號(hào)的數(shù)學(xué)處理
2．1 ADC精度控制
C8051F350內(nèi)部有具有2個(gè)獨(dú)立的抽取濾波器(SINC3濾波器和快速濾波器)和1個(gè)可編程增益放大器。根據(jù)參考文獻(xiàn)SINC3濾波器RMS噪聲小，精度高，缺點(diǎn)是輸出速率較低，而快速濾波器則相反。本設(shè)計(jì)對(duì)速率要求低，而對(duì)精度要求高，因此選用SINC3濾波器。SINC3濾波器典型RMS噪聲如表1所示。
從表1可知，較高的抽取比需要較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換周期，即輸出字速率較低，但具有較低噪聲。
根據(jù)參考文獻(xiàn)，采用SINC3濾波器時(shí)，該模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)際分辨率為：
根據(jù)實(shí)際分辨率的公式(1)可知，當(dāng)抽取比為1 920，輸出字速率為10 Hz時(shí)，根據(jù)實(shí)際分辨率的公式(1)可得到實(shí)際分辨率約為20．00位。
SCA100T傳感器的靈敏度為70mV／(°)，分辨率為0.0025°，ADC參考電壓VREF為2.5V，則需要能檢測(cè)的最小信號(hào)為0.0025°x70mV／°= 0.175 mV，根據(jù)0．175 mV／2．5 V=1／14 286可知，ADC的位數(shù)至少應(yīng)為14位，即214=16 384>14 286，根據(jù)減額設(shè)計(jì)要求，取20位，所以本設(shè)計(jì)完全滿足設(shè)計(jì)要求。
2．2 溫度補(bǔ)償
根據(jù)參考文獻(xiàn)，SCA100T-D01的溫度誤差曲線如圖6所示。
通過曲線擬合，其曲線方程為：
在信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集后，轉(zhuǎn)換為角度輸出時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的傾角傳感器SCA100T處的溫度值，就可以根據(jù)溫度補(bǔ)償曲線補(bǔ)償相應(yīng)的角度值，將溫度對(duì)傾角測(cè)量的影響降到最低。
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評(píng)論