基于MAX1452的應(yīng)變測試系統(tǒng)前端拈的設(shè)計

在飛行試驗中，對飛機應(yīng)變量進行測試是十分普遍而且重要的，也是鑒定飛機本身的性能和安全的重要依據(jù)。隨著飛機飛行試驗中需要測試的應(yīng)變參數(shù)數(shù)量的大量增加和機載測試技術(shù)的發(fā)展，我國飛行試驗中正在采用當前國際先進的網(wǎng)絡(luò)化分布式測試系統(tǒng)和測試設(shè)備進行飛機試驗。飛機本身安裝設(shè)備和采集精度的要求，網(wǎng)絡(luò)化的機載測試系統(tǒng)所需要掛靠的前端采集模塊要求功耗和體積非常的小，可以安裝在比較靠近飛機需要測試的部位。傳統(tǒng)的應(yīng)變采集設(shè)備一般使用的是大量的分立元器件進行設(shè)計，各通道獨立性不強，采集電路的噪聲比較大，沒有溫度修正功能，使得采集的應(yīng)變參數(shù)這類微小信號精度不高。并且設(shè)備的體積和功耗比較大，占用了飛機內(nèi)部寶貴的空間和電源功率。針對以上問題，在新的網(wǎng)絡(luò)化分布式機載應(yīng)變測試系統(tǒng)的中采用了Maxim公司高度集成的MAX1452傳感器調(diào)理芯片來設(shè)計了新型的前端應(yīng)變采集模塊。
筆者利用MAX1452內(nèi)部集成的4個高精密DAC為全橋構(gòu)成式應(yīng)變片的電路提供可編程的精密電壓激勵，設(shè)置偏移量及溫度修正等功能實現(xiàn)，比利用內(nèi)部集成的PGA對電橋產(chǎn)生的微應(yīng)變信號進行程控放大。經(jīng)過MAX1452調(diào)理后的信號通過高性能的開關(guān)電容濾波器MAX7420進行5階低通濾波，然后由SPI接口的A／D芯片進行轉(zhuǎn)換，由FPGA對16位A／D數(shù)據(jù)進行編碼輸入到網(wǎng)絡(luò)接口當中去。采集電路使用芯片少，封裝小，功耗低，并通過電路板的設(shè)計實現(xiàn)了通道供電及工作的完全獨立，當某一通道因傳感器發(fā)生故障時不影響其他通道的工作，有效降低了應(yīng)變飛行課題的試驗成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
該應(yīng)變采集模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個系統(tǒng)由一塊數(shù)字板，兩塊模擬板上下連接構(gòu)成，在對多通道的應(yīng)變信號參數(shù)的測試過程中：當系統(tǒng)上電初始化過程中，模塊的數(shù)字板中的主控制器FPGA通過網(wǎng)絡(luò)接口接收來自網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的加載命令，對兩塊模擬板中的每個應(yīng)變通道的調(diào)理芯片MAX1452進行軟件編程，設(shè)置激勵電壓，偏置電壓，增益，并調(diào)節(jié)MAX7420的時鐘信號頻率來調(diào)節(jié)濾波截止頻率；當在采集過程中，對多個通道進行同步采集，并將采集到的應(yīng)變參數(shù)進行編碼，通過數(shù)字板上的網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)總線控制器；同時，讀取每個應(yīng)變通道中MAX1452內(nèi)部集成的溫度傳感器的8位數(shù)據(jù)，判斷模塊各個通道環(huán)境溫度，并依據(jù)溫度高低通過激勵電壓和偏置電壓進行修正，最終完成整個前端模塊的采集工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
應(yīng)變采集模塊系統(tǒng)硬件分數(shù)字電路和模擬電路組成。模擬電路由多個單獨的應(yīng)變通道調(diào)理電路組成，每個通道都是一樣的，都是由激勵電壓電流增強電路，MAX1452及其外圍輔助電路，DC／DC電源變換電路，濾波及A／D采集電路組成，其硬件設(shè)計圖如圖2所示。數(shù)字電路主要包括了28 V的直流電源變換電路，F(xiàn)PGA及其外圍電路和網(wǎng)絡(luò)接口電路組成；限于篇幅，文中主要針對本模塊如何利用高度集成傳感器調(diào)理芯片MAX1452來處理微應(yīng)變信號進行介紹，數(shù)字電路部分下面不再詳細介紹。
2．1 MAX1452簡介
MAX1452是Maxim公司生產(chǎn)的一種高度集成的模擬傳感器信號處理器，可用于優(yōu)化工業(yè)和過程控制中采用阻性元件的傳感器。MAX1452具有放大、校準和溫度補償功能，其綜合工作特性可以逼近傳感器所固有的可重復(fù)能力。其全模擬信號通道在輸出信號中不會引入量化噪聲，并利用集成的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)實現(xiàn)數(shù)字化校準。利用16位DAC對信號的偏移量和跨度校準，賦予傳感器產(chǎn)品真正的可互換性。
MAX1452結(jié)構(gòu)包含1個可編程傳感器激勵、1個16級可編程增益放大器(PGA)、1個768字節(jié)內(nèi)部EEPROM、4個16位DAC、1個通用的運算放大器以及1個內(nèi)嵌的溫度傳感器。除偏移量和跨度補償外，MAX1452還利用偏移量的溫度系數(shù)(TC)和跨度溫度系統(tǒng)(FSOTC)提供獨特的溫度補償，在提供非凡的靈活性的同時降低了檢測成本。
該芯片的性能特點主要是單芯片提供了一條傳感器信號的模擬放大電路，如圖2所示。它利用模擬架構(gòu)實現(xiàn)了一階溫度響應(yīng)修正。在此基礎(chǔ)上利用其它數(shù)字控制的模擬放大通道實現(xiàn)了非線性溫度響應(yīng)修正。校準和修正都是通過改變偏移量和可編程增益放大器(PGA)上的增益以及傳感器電橋上的激勵電壓和激勵電流來實現(xiàn)的。PGA具有從39 V／V至236 V／V之間16級放大增益。它使用了4個16位DAC，并由用戶將校準系數(shù)存放于其內(nèi)部768x8EEPROM中。這些內(nèi)存都是以16位字的形式存放的，包括了配置寄存器、偏移量校準系數(shù)表、偏移量溫度系數(shù)寄存器、跨度(FSO)校準表、跨度溫度誤差修正系數(shù)寄存器等內(nèi)容，使得硬件電路的設(shè)計更加方便可靠。

2．2 單通道應(yīng)變采集電路硬件實現(xiàn)
根據(jù)MAX1452芯片特性可知，MAX1452對外部傳感器提供了可編程的電壓源激勵或電流源激勵。當對外部傳感器供電時，要求外部傳感器供電滿足片上激勵源輸出電流或者電壓的限制條件?？紤]到本次開發(fā)的應(yīng)變測試系統(tǒng)使用的傳感器應(yīng)變電橋是350 Ω阻抗，當提供+5 V電壓激勵時，需要提供大約14 mA的電流，而MAX1452僅能提供最大2．5 mA的電流，因此需要增強其電流驅(qū)動能力。同時，MAX1452適應(yīng)于輸出靈敏度為4 mV／V到60 mV／V的傳感器，而本系統(tǒng)中應(yīng)變電橋在測量最小范圍1 000μs時，10 V供電才產(chǎn)生5mV的輸出電壓信號，因此在MAX1452和應(yīng)變電橋之間尚需要一高精度差分放大器進行預(yù)放大。