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基于SOC的高精度傾角測量系統(tǒng)的設(shè)計

作者: 時間:2011-03-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1.4 微控制器資源分配
選用Silicon Labs公司的C8051F350作為處理核心。C8051F350是真正能獨立工作的片上(),它自帶8K字節(jié)Flash存儲器,可在編程;集成了1個全差分24位Siva-Delta模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),該ADC具有在片校準功能,2個獨立的數(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現(xiàn)相同功能需要多個芯片的組合才能完成相比,C8051F350不僅減少了成本和系統(tǒng)體積,而且大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
中采用C8051F350的24位Sigma-Delta模/數(shù)轉(zhuǎn)換器作系統(tǒng)信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換,SPI接口作MEMS傳感器的溫度采集,以實現(xiàn)對傳感器的溫度補償,UART作串行LED顯示接口。為保證模/數(shù)轉(zhuǎn)換器工作穩(wěn)定,采用外部基準源。
1.5 ADC基準源及傳感器電源
MEMS傳感器SCA100T在為0°時,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,則其輸出會產(chǎn)生相應(yīng)的波動。因此時,將給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路提供基準源的輸出(如圖4所示),經(jīng)過提高驅(qū)動能力后,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)換器的基準源和MEMS傾角傳感器SCA100T的電源同時向相同方向變化,抵消了MEMS傾角傳感器因電源引起零點漂移的影響。
圖4中的基準源LM236輸出的2.5 V電壓經(jīng)過軌對軌運放OPA340組成的跟隨電路處理后,增大了驅(qū)動能力,既作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的基準源,同時還為差分轉(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://m.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)定性運放OPA340組成的運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 信號的數(shù)學(xué)處理
2.1 ADC精度控制
C8051F350內(nèi)部有具有2個獨立的抽取濾波器(SINC3濾波器和快速濾波器)和1個可編程增益放大器。根據(jù)參考文獻SINC3濾波器RMS噪聲小,精度高,缺點是輸出速率較低,而快速濾波器則相反。本設(shè)計對速率要求低,而對精度要求高,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,采用SINC3濾波器時,該模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的實際分辨率為:

根據(jù)實際分辨率的公式(1)可知,當(dāng)抽取比為1 920,輸出字速率為10 Hz時,根據(jù)實際分辨率的公式(1)可得到實際分辨率約為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,則需要能檢測的最小信號為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)計要求,取20位,所以本設(shè)計完全滿足設(shè)計要求。
2.2 溫度補償
根據(jù)參考文獻,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:

在信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集后,轉(zhuǎn)換為角度輸出時,根據(jù)實時采集的傾角傳感器SCA100T處的溫度值,就可以根據(jù)溫度補償曲線補償相應(yīng)的角度值,將溫度對傾角的影響降到最低。

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