基于MAX1452的应变测试系统前端模块的设计

摘要：根据当前飞机机载测试产品中分布式网络化应变测试系统的要求设计了一种前端多通道的通用应变采集模块。使用Maxim公司高度集成的单传感器调理芯片MAX1452通过软件实现了激励电压提供，电路偏置，增益调节和温度修正等飞机应变信号测试所必需的功能。该采集模块实际应用表明，在高精度采集下实现了各应变采集通道的完全独立，也同时实现了其体积和功耗相当微小的特点，其通过测试网络系统可以安装在对空间要求比较严格的飞机各个部位。
关键词：机载测试；网络化测试；应变；采集模块；MAX1452

    在飞行试验中，对飞机应变量进行测试是十分普遍而且重要的，也是鉴定飞机本身的性能和安全的重要依据。随着飞机飞行试验中需要测试的应变参数数量的大量增加和机载测试技术的发展，我国飞行试验中正在采用当前国际先进的网络化分布式测试系统和测试设备进行飞机试验。飞机本身安装设备和采集精度的要求，网络化的机载测试系统所需要挂靠的前端采集模块要求功耗和体积非常的小，可以安装在比较靠近飞机需要测试的部位。传统的应变采集设备一般使用的是大量的分立元器件进行设计，各通道独立性不强，采集电路的噪声比较大，没有温度修正功能，使得采集的应变参数这类微小信号精度不高。并且设备的体积和功耗比较大，占用了飞机内部宝贵的空间和电源功率。针对以上问题，在新的网络化分布式机载应变测试系统的中采用了Maxim公司高度集成的MAX1452传感器调理芯片来设计了新型的前端应变采集模块。
    笔者利用MAX1452内部集成的4个高精密DAC为全桥构成式应变片的电路提供可编程的精密电压激励，设置偏移量及温度修正等功能实现，比利用内部集成的PGA对电桥产生的微应变信号进行程控放大。经过MAX1452调理后的信号通过高性能的开关电容滤波器MAX7420进行5阶低通滤波，然后由SPI接口的A／D芯片进行转换，由FPGA对16位A／D数据进行编码输入到网络接口当中去。采集电路使用芯片少，封装小，功耗低，并通过电路板的设计实现了通道供电及工作的完全独立，当某一通道因传感器发生故障时不影响其他通道的工作，有效降低了应变飞行课题的试验成本。

1 系统总体设计
    该应变采集模块结构图如图1所示，整个系统由一块数字板，两块模拟板上下连接构成，在对多通道的应变信号参数的测试过程中：当系统上电初始化过程中，模块的数字板中的主控制器FPGA通过网络接口接收来自网络系统的加载命令，对两块模拟板中的每个应变通道的调理芯片MAX1452进行软件编程，设置激励电压，偏置电压，增益，并调节MAX7420的时钟信号频率来调节滤波截止频率；当在采集过程中，对多个通道进行同步采集，并将采集到的应变参数进行编码，通过数字板上的网络接口发送给网络总线控制器；同时，读取每个应变通道中MAX1452内部集成的温度传感器的8位数据，判断模块各个通道环境温度，并依据温度高低通过激励电压和偏置电压进行修正，最终完成整个前端模块的采集工作。

2 系统硬件设计
    应变采集模块系统硬件分数字电路和模拟电路组成。模拟电路由多个单独的应变通道调理电路组成，每个通道都是一样的，都是由激励电压电流增强电路，MAX1452及其外围辅助电路，DC／DC电源变换电路，滤波及A／D采集电路组成，其硬件设计图如图2所示。数字电路主要包括了28 V的直流电源变换电路，FPGA及其外围电路和网络接口电路组成；限于篇幅，文中主要针对本模块如何利用高度集成传感器调理芯片MAX1452来处理微应变信号进行介绍，数字电路部分下面不再详细介绍。
2．1 MAX1452简介
    MAX1452是Maxim公司生产的一种高度集成的模拟传感器信号处理器，可用于优化工业和过程控制中采用阻性元件的传感器。MAX1452具有放大、校准和温度补偿功能，其综合工作特性可以逼近传感器所固有的可重复能力。其全模拟信号通道在输出信号中不会引入量化噪声，并利用集成的16位数模转换器(DAC)实现数字化校准。利用16位DAC对信号的偏移量和跨度校准，赋予传感器产品真正的可互换性。
    MAX1452结构包含1个可编程传感器激励、1个16级可编程增益放大器(PGA)、1个768字节内部EEPROM、4个16位DAC、1个通用的运算放大器以及1个内嵌的温度传感器。除偏移量和跨度补偿外，MAX1452还利用偏移量的温度系数(TC)和跨度温度系统(FSOTC)提供独特的温度补偿，在提供非凡的灵活性的同时降低了检测成本。
    该芯片的性能特点主要是单芯片提供了一条传感器信号的模拟放大电路，如图2所示。它利用模拟架构实现了一阶温度响应修正。在此基础上利用其它数字控制的模拟放大通道实现了非线性温度响应修正。校准和修正都是通过改变偏移量和可编程增益放大器(PGA)上的增益以及传感器电桥上的激励电压和激励电流来实现的。PGA具有从39 V／V至236 V／V之间16级放大增益。它使用了4个16位DAC，并由用户将校准系数存放于其内部768x8EEPROM中。这些内存都是以16位字的形式存放的，包括了配置寄存器、偏移量校准系数表、偏移量温度系数寄存器、跨度(FSO)校准表、跨度温度误差修正系数寄存器等内容，使得硬件电路的设计更加方便可靠。

2．2 单通道应变采集电路硬件实现
    根据MAX1452芯片特性可知，MAX1452对外部传感器提供了可编程的电压源激励或电流源激励。当对外部传感器供电时，要求外部传感器供电满足片上激励源输出电流或者电压的限制条件。考虑到本次开发的应变测试系统使用的传感器应变电桥是350 Ω阻抗，当提供+5 V电压激励时，需要提供大约14 mA的电流，而MAX1452仅能提供最大2．5 mA的电流，因此需要增强其电流驱动能力。同时，MAX1452适应于输出灵敏度为4 mV／V到60 mV／V的传感器，而本系统中应变电桥在测量最小范围1 000μs时，10 V供电才产生5mV的输出电压信号，因此在MAX1452和应变电桥之间尚需要一高精度差分放大器进行预放大。
    MAX1452内部的4个16位DAC模块的基准都来自于它的电源引脚VDD，因此其供电电压的精度对性能的影响很大，这里采用了一个高性能电压基准芯片MAX15006B将+12 V供电电压转换为高精度的+5 V电压，为MAX1452及其它芯片提供一个稳定电源与基准电压。值得注意的是，此处系统电路硬件和软件设计仅仅在工作模式上使用了处于非比例工作电路的MAX1452的数字模式，在温度修正方面使用了一阶线性温度修正功能，而并没有考虑MAX1452的其他工作模式。
    MAX1452通过一个双向的引脚DI／O与微控制器交换数据，它们之间进行通信的协议是异步串行通讯。当主机发送初始化序列时，MAX1452将自动检测主机的波特率。无论MAX1452内部震荡器如何设置，使用4 800 bps与38 400 bps之间的波特率都可以检测得到。数据格式为始终为1个起始位、8个数据位、1个停止位，没有奇偶校验位。引脚UNLOCK一个功能是控制MAX1452与微机通信的状态：当其为低电平时，禁止MAX 1452与微控制器进行通讯。引脚UNLOCK的另一个功能是配合加密锁控制寄存器(即CL[7：0])对MAX1452的工作模式进行设置，此处没有使用该模式，仅将其连接到微控制器的一个通用I／O口上即可。CLK1M引脚通过配置寄存器向外部提供一个标准的1 MHz的时钟信号以供外部控制器使用，可以减少外部震荡电路的设计；当不需要使用该信号时，也可以通过配置寄存器关闭该时钟信号的输出，以降低EMC干扰。

3 系统软件设计
    系统软件设计主要包括MAX1452集成芯片固件驱动程序设计和整个采集模块系统控制程序的设计2大部分。这里我们使用的是大规模可编程逻辑FPGA芯片实现的。开发使用的语言采用了Verilog HDL硬件描述语言，开发环境是QualtusII软件的10．1版本。由于FPGA控制器和MAX 1452进行通信的软件设计是本次软件开发的难点和重点，本文以下对其详细介绍。
    FPGA控制器与MAX1452的通讯采用了异步串行通信协议，需要使用一个双向数据线实现数据的输入输出。FPGA可以使用一个通用的双向I／O引脚来模拟异步串行异步通信，也可以利用大部分微控制器上集成的异步串行通讯接口来(如当前通用的C51系列单片机或ARM芯片等)实现。本次应变测试系统的设计利用了微控制器内部集成的异步通讯外设(波特率需要设置在4 800 bps与38 400 bps之间，数据格式要设置为1个起始位、8个数据位、1个停止位，无奇偶校验位)来实现对MAX1452的寄存器进行读写控制。
    当MAX1452工作在数字模式下(本次设计即采用了这种模式)，FPGA要通过串行接口命令来加载寄存器数值(包括了DAC数据寄存器和配置寄存器等)，对内部的EEPROM进行擦除或数据加载，或者读取MAX1452内嵌的温度传感器的数值。实现的步骤依次是在稳定电源给器件供电1 mS后，首先发送一个初始化序列字节(0x01h)，如果必要的话还需要发送一个重新初始化系列字节(0xFFh)；其次按照IRS(接口寄存器集)确定的格式(见参考文献)对所有寄存器、EEPROM单元和温度索引值进行读写访问。微控制器访问MAX1452的数据格式图3所示。

    微控制器通过MAX1452对传感器芯片进行调理的过程其实就是不断地对MAX1452内部各种不同用途寄存器进行读写访问的过程。通过上面的说明我们可以看到读写寄存器不仅需要通讯格式命令，还需要按照IRS格式不断进行拆分字节和组合字节，这里我们给出微控制器访问配置寄存器的程序流程图，如图4所示，以便读者更加清楚了解。

4 结论
    文中通过上述系统的软硬件设计，实现了网络化应变测试系统中前端电路采集模块的设计，满足了网络化应变测试系统中对前端采集模块设计中所要求的特点。采用这种集成的传感器信号调理芯片的设计方案在进行飞行试验的实际应用中具有采集精度高，体积和供号小，可以按照要求分布式安装在飞机各个空间狭小的部位，达到了预期的设计目的。