基于MAX1452的應(yīng)變測試系統(tǒng)前端模塊的設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)當(dāng)前飛機(jī)機(jī)載測試產(chǎn)品中分布式網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)變測試系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)了一種前端多通道的通用應(yīng)變采集模塊。使用Maxim公司高度集成的單傳感器調(diào)理芯片MAX1452通過軟件實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)電壓提供，電路偏置，增益調(diào)節(jié)和溫度修正等飛機(jī)應(yīng)變信號(hào)測試所必需的功能。該采集模塊實(shí)際應(yīng)用表明，在高精度采集下實(shí)現(xiàn)了各應(yīng)變采集通道的完全獨(dú)立，也同時(shí)實(shí)現(xiàn)了其體積和功耗相當(dāng)微小的特點(diǎn)，其通過測試網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以安裝在對空間要求比較嚴(yán)格的飛機(jī)各個(gè)部位。
關(guān)鍵詞：機(jī)載測試；網(wǎng)絡(luò)化測試；應(yīng)變；采集模塊；MAX1452

在飛行試驗(yàn)中，對飛機(jī)應(yīng)變量進(jìn)行測試是十分普遍而且重要的，也是鑒定飛機(jī)本身的性能和安全的重要依據(jù)。隨著飛機(jī)飛行試驗(yàn)中需要測試的應(yīng)變參數(shù)數(shù)量的大量增加和機(jī)載測試技術(shù)的發(fā)展，我國飛行試驗(yàn)中正在采用當(dāng)前國際先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)化分布式測試系統(tǒng)和測試設(shè)備進(jìn)行飛機(jī)試驗(yàn)。飛機(jī)本身安裝設(shè)備和采集精度的要求，網(wǎng)絡(luò)化的機(jī)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(jī)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(jìn)行設(shè)計(jì)，各通道獨(dú)立性不強(qiáng)，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(hào)精度不高。并且設(shè)備的體積和功耗比較大，占用了飛機(jī)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(jī)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(jì)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(gè)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(lì)，設(shè)置偏移量及溫度修正等功能實(shí)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(hào)進(jìn)行程控放大。經(jīng)過MAX1452調(diào)理后的信號(hào)通過高性能的開關(guān)電容濾波器MAX7420進(jìn)行5階低通濾波，然后由SPI接口的A／D芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由FPGA對16位A／D數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼輸入到網(wǎng)絡(luò)接口當(dāng)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(jì)實(shí)現(xiàn)了通道供電及工作的完全獨(dú)立，當(dāng)某一通道因傳感器發(fā)生故障時(shí)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(yàn)成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
該應(yīng)變采集模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，整個(gè)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(hào)參數(shù)的測試過程中：當(dāng)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(gè)應(yīng)變通道的調(diào)理芯片MAX1452進(jìn)行軟件編程，設(shè)置激勵(lì)電壓，偏置電壓，增益，并調(diào)節(jié)MAX7420的時(shí)鐘信號(hào)頻率來調(diào)節(jié)濾波截止頻率；當(dāng)在采集過程中，對多個(gè)通道進(jìn)行同步采集，并將采集到的應(yīng)變參數(shù)進(jìn)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(shí)，讀取每個(gè)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(gè)通道環(huán)境溫度，并依據(jù)溫度高低通過激勵(lì)電壓和偏置電壓進(jìn)行修正，最終完成整個(gè)前端模塊的采集工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
應(yīng)變采集模塊系統(tǒng)硬件分?jǐn)?shù)字電路和模擬電路組成。模擬電路由多個(gè)單獨(dú)的應(yīng)變通道調(diào)理電路組成，每個(gè)通道都是一樣的，都是由激勵(lì)電壓電流增強(qiáng)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(jì)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(hào)進(jìn)行介紹，數(shù)字電路部分下面不再詳細(xì)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(hào)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(zhǔn)和溫度補(bǔ)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(hào)通道在輸出信號(hào)中不會(huì)引入量化噪聲，并利用集成的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化校準(zhǔn)。利用16位DAC對信號(hào)的偏移量和跨度校準(zhǔn)，賦予傳感器產(chǎn)品真正的可互換性。
MAX1452結(jié)構(gòu)包含1個(gè)可編程傳感器激勵(lì)、1個(gè)16級(jí)可編程增益放大器(PGA)、1個(gè)768字節(jié)內(nèi)部EEPROM、4個(gè)16位DAC、1個(gè)通用的運(yùn)算放大器以及1個(gè)內(nèi)嵌的溫度傳感器。除偏移量和跨度補(bǔ)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(dú)特的溫度補(bǔ)償，在提供非凡的靈活性的同時(shí)降低了檢測成本。
該芯片的性能特點(diǎn)主要是單芯片提供了一條傳感器信號(hào)的模擬放大電路，如圖2所示。它利用模擬架構(gòu)實(shí)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(shí)現(xiàn)了非線性溫度響應(yīng)修正。校準(zhǔn)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(lì)電壓和激勵(lì)電流來實(shí)現(xiàn)的。PGA具有從39 V／V至236 V／V之間16級(jí)放大增益。它使用了4個(gè)16位DAC，并由用戶將校準(zhǔn)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(zhǔn)系數(shù)表、偏移量溫度系數(shù)寄存器、跨度(FSO)校準(zhǔn)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(jì)更加方便可靠。