利用具有I/O模擬多路復(fù)用器的PSoC簡(jiǎn)化傳感器控制設(shè)計(jì)
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圖1：模擬多路復(fù)用器/系統(tǒng)連接。 本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/259318.htm |
工業(yè)控制應(yīng)用常常需要許多模擬輸入，即使是具有一個(gè)PWM輸出的最簡(jiǎn)單的風(fēng)扇控制器也有可能需要對(duì)數(shù)量眾多的溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)控。模擬輸入是寶貴的資源，經(jīng)常很快就會(huì)被消耗殆盡。在很多場(chǎng)合，設(shè)計(jì)工程師不得不采用一個(gè)更加昂貴的部件，從而導(dǎo)致一些多余的空閑資源，或者必須增加外部多路復(fù)用器，以滿足對(duì)模擬輸入信號(hào)訪問(wèn)次數(shù)增加的需要。而且，傳感器并不總是提供一個(gè)緩沖輸出電壓，它們有可能將信號(hào)轉(zhuǎn)換成某些非電壓參數(shù)，比如電阻或電容。在不少情況下，信號(hào)調(diào)節(jié)的成本會(huì)超過(guò)控制器的成本。
在選擇控制器的時(shí)候，始終存在這樣一個(gè)問(wèn)題，那就是設(shè)計(jì)工程師必須規(guī)定多少個(gè)模擬輸入。對(duì)于一個(gè)只需要6個(gè)輸入的系統(tǒng)而言，8個(gè)輸入是否足夠？需求會(huì)不會(huì)繼續(xù)提高？一個(gè)特定的控制器系列能夠處理多少個(gè)模擬輸入？如果我的設(shè)計(jì)需要升級(jí)至一個(gè)具有更多輸入的器件，那么我的可選方案是什么？這種選擇必須在竭力滿足項(xiàng)目的成本要求、并同時(shí)順應(yīng)客戶和市場(chǎng)部門(mén)不斷變化的規(guī)格要求的情況下做出。一種簡(jiǎn)單的解決方案便是使每個(gè)引腳都能夠成為一個(gè)模擬輸入，而這在過(guò)去是做不到的，I/O模擬多路復(fù)用器將其變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。
I/O模擬多路復(fù)用器是一種大型交叉開(kāi)關(guān)，它允許將任何引腳連接至一個(gè)控制系統(tǒng)的模擬陣列。就是這樣的一個(gè)多路復(fù)用器被內(nèi)置于CY8C21x34可配置混合信號(hào)陣列之中。該器件每個(gè)引腳均具有一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)某個(gè)開(kāi)關(guān)被選擇時(shí)，則將其所在的引腳與一根模擬總線相連。該控制器系列提供了多達(dá)28個(gè)I/O引腳，每個(gè)引腳都有可能成為一個(gè)模擬輸入。該總線還與一個(gè)模擬陣列相連。模擬陣列由4個(gè)可配置模塊組成，當(dāng)這些模塊與數(shù)字資源組合在一起時(shí)，將形成復(fù)雜的信號(hào)處理器?？赡艿哪M功能包括10位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和比較器。
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圖2：具有電流DAC的模擬多路復(fù)用器。 |
傳感器是一種換能器，用于把某種物理量變換成可進(jìn)行電氣測(cè)量的參數(shù)。對(duì)于許多換能器來(lái)說(shuō)，這種轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果是電壓。例如，LM35溫度傳感器就提供了一個(gè)與溫度成正比的輸出電壓。溫度的測(cè)量只需對(duì)輸出電壓進(jìn)行數(shù)字化處理，采用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換公式(在本例中為：Temp=Vmeasured/10mV)即可把電壓轉(zhuǎn)換成溫度。
以一個(gè)需要在系統(tǒng)中測(cè)量16處溫度的控制應(yīng)用為例，簡(jiǎn)單的做法是在所需之處安放傳感器并將其各自連接至一個(gè)引腳。模擬陣列被配置為一個(gè)ADC并連接至模擬總線。利用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即可將每個(gè)傳感器順序連接至模擬總線并進(jìn)行數(shù)字化處理。某些類(lèi)型的傳感器具有一個(gè)阻性輸出，此類(lèi)傳感器包括熱敏電阻、光電管、應(yīng)力計(jì)和傳導(dǎo)單元。這些傳感器的信息讀出需要通過(guò)電阻測(cè)量來(lái)完成，通常的做法是采用一個(gè)DC電流來(lái)模擬傳感器輸出并測(cè)量負(fù)載電壓。為了方便電阻的測(cè)量，在CY8C21x34的模擬總線上增設(shè)了一個(gè)可編程電流DAC。該電流DAC可在兩個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行選擇和調(diào)節(jié)：0～20μA或0～400μA。如需讀出電阻，則只要把傳感器連接至一個(gè)與模擬總線相連的引腳并開(kāi)啟電流DAC即可，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與電阻和電流的乘積相等的負(fù)載電壓。可利用被配置為ADC的模擬模塊來(lái)讀出該電壓。對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行校準(zhǔn)的方法之一是犧牲一個(gè)引腳來(lái)連接一個(gè)外部基準(zhǔn)電阻器。首先測(cè)量基準(zhǔn)電阻，測(cè)得的電壓始終與電阻成正比；接著測(cè)量傳感器電阻，在已知測(cè)量電壓和基準(zhǔn)電阻器阻值的情況下，即可計(jì)算傳感器電阻：
現(xiàn)在，傳感器電阻讀數(shù)的準(zhǔn)確度僅受限于基準(zhǔn)電阻器的準(zhǔn)確度和ADC的分辨率。任何增益誤差都不會(huì)被帶入計(jì)算之中。
然后，假設(shè)先前討論的控制應(yīng)用在規(guī)格上有一個(gè)變化，即要求用熱敏電阻來(lái)代替LM35。所選的特定熱敏電阻具有10kW/25℃的標(biāo)稱電阻，簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是把熱敏電阻布設(shè)于所需的位置并將它們各自連接至一個(gè)引腳。將一個(gè)多余的引腳連接至10kW基準(zhǔn)電阻器，并設(shè)定電流DAC產(chǎn)生一個(gè)100μA的電流。通過(guò)將模擬陣列配置為一個(gè)ADC，即可順序測(cè)量每個(gè)負(fù)載電壓并計(jì)算所有熱敏電阻的阻值，再利用合適的方程來(lái)把這些電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值。
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圖3：具有放電電路的模擬多路復(fù)用器。 |
有些類(lèi)型的傳感器具有容性輸出，其中包括加速計(jì)和壓力傳感器。與產(chǎn)生DC負(fù)載電壓的阻性傳感器不同，當(dāng)采用DC電流來(lái)激勵(lì)時(shí)，容性傳感器將產(chǎn)生一個(gè)斜坡電壓，斜率與激勵(lì)電流成正比，而與測(cè)量電容成反比。為了方便該轉(zhuǎn)換速率的測(cè)量，在CY8C21x34的模擬總線上增設(shè)了一個(gè)放電開(kāi)關(guān)。當(dāng)被選擇時(shí)，該開(kāi)關(guān)將把模擬總線放電至地電位?？刹捎枚喾N可配置資源來(lái)控制其操作。如欲測(cè)量斜坡，則把模擬模塊配置成采樣比較器。比較器的輸出負(fù)責(zé)控制放電開(kāi)關(guān)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成了一個(gè)弛張振蕩器(relaxation oscillator)。當(dāng)斜坡電壓上升至跳變點(diǎn)(trip point)時(shí)，比較器將關(guān)閉放電通路并重新把模擬總線放電至地電位。然后，比較器釋放開(kāi)關(guān)，電壓繼續(xù)上升。比較器輸出被饋送至配置了一個(gè)頻率計(jì)數(shù)器或周期定時(shí)器的數(shù)字部分。電容值可以從測(cè)量的數(shù)字信號(hào)推導(dǎo)出來(lái)。
現(xiàn)在，假設(shè)一個(gè)需要測(cè)量壓力的控制應(yīng)用。微加工技術(shù)的發(fā)展使得能夠利用固定在玻璃襯底上的硅薄膜來(lái)制作廉價(jià)的壓力傳感器。壓力的變化會(huì)使薄膜產(chǎn)生偏移，從而導(dǎo)致電容的改變。然而，熱膨脹也會(huì)引發(fā)電容的變化，使得這些傳感器容易受到溫度的影響。相應(yīng)的解決方案是在相同的襯底上設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)電容器，并測(cè)量?jī)蓚€(gè)電容的比值。
在測(cè)量壓力時(shí)，將兩個(gè)容性輸出均與PSoC引腳相連。模擬部分如今被配置為一個(gè)具有1.3V觸發(fā)電平的采樣比較器，并用于控制放電開(kāi)關(guān)。電流源被設(shè)定為10μA。對(duì)于一個(gè)10pF的標(biāo)稱電容，產(chǎn)生的電壓變化斜率為1V/μs。在該速率條件下，斜坡電壓將需要1300ns的時(shí)間才能達(dá)到1.3V的跳變點(diǎn)。數(shù)字部分計(jì)算出的頻率為769kHz。測(cè)量頻率與測(cè)量電容成反比。對(duì)每個(gè)電容進(jìn)行順序測(cè)量，并計(jì)算一個(gè)比值。這兩個(gè)數(shù)值之比將消除任何由于電流源或用于計(jì)算頻率的系統(tǒng)時(shí)鐘的不精確性所引發(fā)的誤差。
作者：Dave Van Ess
賽普拉斯微系統(tǒng)公司
評(píng)論