一種面向極端高溫環(huán)境的高可靠精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)

簡(jiǎn)介

在許多惡劣環(huán)境系統(tǒng)中，一個(gè)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)是高精密電子器件離高溫區(qū)域越來(lái)越近。這一趨勢(shì)背后有多個(gè)推動(dòng)因素，在能源勘探、航空航天、汽車(chē)、重工業(yè)和其他終端應(yīng)用中都有體現(xiàn)。¹ 例如，在能源勘探領(lǐng)域，環(huán)境溫度增幅為深度的函數(shù)，相關(guān)設(shè)備的典型工作溫度為175°C及以上。受尺寸和功率限制，有源冷卻不太實(shí)際，熱對(duì)流非常有限。在其他系統(tǒng)中，需要把傳感器和信號(hào)調(diào)理節(jié)點(diǎn)置于高溫區(qū)域附近，比如發(fā)動(dòng)機(jī)、剎車(chē)系統(tǒng)或高功率能源轉(zhuǎn)換電子器件，以提高系統(tǒng)的整體可靠性或降低成本。

從歷史上來(lái)看，工程師要為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)出可靠的高性能電子器件是非常困難的事，因?yàn)槭袌?chǎng)上缺少制造商為這些工作條件生產(chǎn)指定的組件。幸運(yùn)的是，近年來(lái)出現(xiàn)了越來(lái)越多的（IC和無(wú)源）組件，制造商指定的工作溫度高達(dá)175°C及以上。另外，最近的參考設(shè)計(jì)也偏重于性能，將部分這些組件在信號(hào)鏈子系統(tǒng)中結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)精密數(shù)據(jù)采集，以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能更快地采用相關(guān)技術(shù)（如CN-0365），并幫助他們降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、縮短上市時(shí)間。但在此之前，在高溫精密數(shù)據(jù)采集方面，距離特性良好、廣泛可用的全功能平臺(tái)還存在一些差距。

在本文中，我們將介紹一種新型高溫精密數(shù)據(jù)采集與處理平臺(tái)，其工作溫度高達(dá)200°C。該平臺(tái)包括一個(gè)高溫電路組件，以及一個(gè)數(shù)據(jù)采集前端和微控制器、優(yōu)化的固件、數(shù)據(jù)采集與分析軟件、源代碼、設(shè)計(jì)文件、材料清單和測(cè)試報(bào)告。該平臺(tái)適合參考設(shè)計(jì)、快速原型制作和高溫儀器儀表系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。電路組件的尺寸和結(jié)構(gòu)均經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)，可兼容石油天然氣儀器儀表的尺寸要求，但也可作為其他高溫應(yīng)用的基礎(chǔ)。

硬件架構(gòu)概述

油氣勘探中使用的儀器儀表（也稱為井下工具）與許多精密數(shù)據(jù)采集與控制平臺(tái)類(lèi)似，但對(duì)性能和可靠性有著具體的要求，可以作為本參考平臺(tái)的案例進(jìn)行研究。在該應(yīng)用中，系統(tǒng)來(lái)自各類(lèi)傳感器的信號(hào)采樣，以收集與周?chē)刭|(zhì)構(gòu)造相關(guān)的信息。這些傳感器可能是電極、線圈、壓電傳感器或其他傳感器。加速度計(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀可以提供有關(guān)鉆柱的傾角和轉(zhuǎn)速信息。這些傳感器中有一些的帶寬要求極低，其他傳感器則能提供音頻頻率范圍內(nèi)或以上的信息。需要使用多個(gè)采集通道，還必須在高溫（一般為175°C及以上）下維持高精度。另外，這些儀器儀表中很大一部分采用電池供電，或者可用電能有限，因此，必須具有低功耗和多個(gè)工作模式的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化。

在有關(guān)電子系統(tǒng)的要求以外，井下應(yīng)用還存在機(jī)械上的限制，可能決定著電子組件的尺寸，也可能會(huì)影響組件的封裝和選擇。對(duì)于后一個(gè)問(wèn)題，我們將在后面各節(jié)里詳細(xì)討論，目前要注意的是，這一段的電路組件一般對(duì)電路板寬度有限制。必須將電子組件放在鉆探作業(yè)中使用的管狀壓力容器中，因此其長(zhǎng)寬比具有狹長(zhǎng)的特點(diǎn)。這種形狀上的特點(diǎn)限制了可用組件的尺寸和密度，也可能限制組件布局和信號(hào)路由的分割方式，結(jié)果可能對(duì)高精度電子器件的性能造成影響，因此，要特別注意布局和其他封裝設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。圖2所示為一種典型尺寸、裝在一個(gè)管狀壓力容器里的電路組件（透明，頂部），裝上電路板后管狀壓力容器的橫截面（底部）。

本文討論的可靠參考設(shè)計(jì)平臺(tái)基于CN-0365模擬前端參考設(shè)計(jì)，其目的是為基于高溫低功耗微控制器的精密數(shù)據(jù)采集和控制解決方案奠定基礎(chǔ)，使其符合眾多井下儀器儀表和其他高溫電子器件的要求。基于AD7981模數(shù)SAR轉(zhuǎn)換器，該參考設(shè)計(jì)展現(xiàn)了一種全功能的系統(tǒng)，帶2個(gè)高速同步采樣通道和8個(gè)額外的多路復(fù)用通道，可滿足廣泛的井下工具的數(shù)據(jù)采集需求（共10個(gè)通道）。該模擬前端通過(guò)SPI端口接入來(lái)自聯(lián)盟合作伙伴Vorago Technologies和Petromar Technologies的VA10800 ARM^? Cortex^?-M0。該設(shè)計(jì)是不斷壯大的ADI高溫應(yīng)用產(chǎn)品和解決方案生態(tài)系統(tǒng)里的最新成員。

圖1 高溫參考平臺(tái)

采集后，可以在本地處理數(shù)據(jù)，也可通過(guò)UART或可選的RS-485通信接口傳輸出去。電路板上的其他配套組件（包括內(nèi)存、時(shí)鐘、電源和無(wú)源器件）均為各自供應(yīng)商指定的、支持高工作溫度的器件，經(jīng)驗(yàn)證，這些組件能在200°C或以上的溫度下可靠地工作。圖1和圖2所示為該高溫參考平臺(tái)的實(shí)際電路板圖和高層次功能框圖。圖2所示電路板展示的是井下電路板布局和尺寸，約長(zhǎng)11.4英寸、寬1.1英寸。

圖2 井下電子組件尺寸

CN-0365應(yīng)用筆記中全面地介紹了該平臺(tái)精密數(shù)據(jù)采集通道的設(shè)計(jì)問(wèn)題。³ 該設(shè)計(jì)是這個(gè)平臺(tái)上的三個(gè)ADC輸入的基礎(chǔ)，不過(guò)，為了滿足電路板尺寸要求，使平臺(tái)能在最高200°C的溫度下可靠地工作，主要在無(wú)源元件選擇方面進(jìn)行了一些調(diào)整和優(yōu)化。參考采集通道電路如圖4所示。有2個(gè)能在高采樣速率下工作的數(shù)字多路復(fù)用通道，每一個(gè)都含有一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集通道（與CN-0365類(lèi)似）。還有一個(gè)模擬多路復(fù)用通道，其在輸入之前添加了一個(gè)ADG798多路復(fù)用器，并針對(duì)低吞吐量輸入進(jìn)行了優(yōu)化。R1和R3為U1的同相輸入提供1.25 V偏置電壓，防止其在斷開(kāi)時(shí)或者取消選擇多路復(fù)用器時(shí)，浮動(dòng)至模擬輸入的供電軌?？梢愿腞8和R9，以提高U1的增益。R4、R7和C1是抗混疊濾波器，但也可以將它們重新配置為衰減器或交替濾波器配置。R5、R6和C4構(gòu)成ADC驅(qū)動(dòng)器與ADC輸入之間的RC濾波器，該濾波器的作用是限制到達(dá)ADC輸入的帶外噪聲量，并衰減來(lái)自ADC輸入開(kāi)關(guān)電容的反沖電壓。⁴

圖3 高溫參考平臺(tái)功能框圖

圖4 ADC驅(qū)動(dòng)器配置

設(shè)計(jì)該平臺(tái)就是為了利用AD7981 ADC的多個(gè)關(guān)鍵特性。這款16位、600 kSPS轉(zhuǎn)換器能提高超過(guò)85 dB的典型SINAD以及±0.6 LSB的典型INL，其中，基準(zhǔn)電壓源為2.5V且無(wú)丟碼。采用5 V基準(zhǔn)電壓源時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)90 dB以上的SINAD，但在本平臺(tái)中，為了維持與較低電壓系統(tǒng)的兼容性，我們沒(méi)有選擇這一規(guī)格。由于ADC內(nèi)核在轉(zhuǎn)換周期之間會(huì)自動(dòng)進(jìn)入省電狀態(tài)，因此，ADC的功耗會(huì)隨吞吐量自動(dòng)線性變化。在使用低采樣速率的轉(zhuǎn)換器時(shí)，這樣做可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

軟件概述

固件

平臺(tái)的固件基于FreeRTOS操作系統(tǒng)制成，可以方便地集成任務(wù)，如數(shù)據(jù)處理和其他通信。我們對(duì)代碼進(jìn)行了優(yōu)化，以便非多路復(fù)用通道0和1能高效地完成快速ADC轉(zhuǎn)換，多路復(fù)用通道2到9的轉(zhuǎn)換耗時(shí)低至10 μs。轉(zhuǎn)換結(jié)果可以在本地處理，也可以2 Mbps的速率從UART通道中傳輸出去。轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖器的大小為16 kB（8k次采樣結(jié)果），既可在多個(gè)通道之間共享，也可專門(mén)供一個(gè)通道使用。該固件以開(kāi)源格式提供，最終用戶可以對(duì)其進(jìn)行定制，還可將其作為最終應(yīng)用的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集與分析軟件

圖5所示為數(shù)據(jù)采集與分析軟件，基于.NET接口設(shè)計(jì)，電源組件通過(guò)一個(gè)USBUART-TTL電平轉(zhuǎn)換器。借助定義明確的協(xié)議，可以與硬件（包括控制和數(shù)據(jù)流）進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)可以在突發(fā)模式下采集數(shù)據(jù)，也可連續(xù)采集。另外納入了數(shù)據(jù)分析功能，以在時(shí)域和頻域分析與驗(yàn)證SNR、THD和SINAD（如FFT）。也可將數(shù)據(jù)記錄到文件（如導(dǎo)出到Excel），以便存儲(chǔ)起來(lái)或者在其他應(yīng)用中進(jìn)行處理。就如固件一樣，我們免費(fèi)提供了數(shù)據(jù)采集軟件的源代碼，最終用戶可以進(jìn)行定制。

圖5 數(shù)據(jù)采集與分析軟件

高溫構(gòu)造

本參考平臺(tái)采用適合在200°C條件下工作的組件和其他材料制成。平臺(tái)上使用的所有組件均為各自制造商指定的高溫工作組件（另有說(shuō)明時(shí)除外），并且全球經(jīng)銷(xiāo)商網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始大量供貨。全部BOM、PCB布局圖和裝配圖紙都隨參考設(shè)計(jì)包免費(fèi)提供。

電容

用C0G或NP0電介質(zhì)電容進(jìn)行小容值的濾波器和去耦。這些電介質(zhì)電容的溫度系數(shù)表現(xiàn)極其平坦，一般而言，其對(duì)屈曲應(yīng)力的耐受性更好。5 為使RC濾波器具有高Q、低溫度系數(shù)，并且在變化電壓下具有穩(wěn)定的電氣特性，建議使用C0G或NP0型電容。我們用小尺寸0805或以上陶瓷器件減小了組件與PCB之間的CTE失配。出于大量存儲(chǔ)需要，我們選擇了高溫鉭電容，并在尺寸與ESR之間進(jìn)行了平衡。

電阻

設(shè)計(jì)主體部分采用薄膜SMT電阻（汽車(chē)級(jí)PATT系列），市場(chǎng)上貨源充足。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，針對(duì)特定值和尺寸選擇了部分厚膜SMT電阻。

連接器

電路板連接著一個(gè)額定溫度為200°C的Micro-D，后者常用于高可靠性行業(yè)。為了減少信號(hào)串?dāng)_，我們對(duì)連接器外殼進(jìn)行了特別處理，將其接地至組件中的PCB。對(duì)于要求最高信號(hào)完整性和最低串?dāng)_的應(yīng)用，則要采用高溫專業(yè)連接器（或者無(wú)連接器）和同軸或屏蔽平衡輸入，以減少串?dāng)_。

PCB設(shè)計(jì)和布局

在井下應(yīng)用中宜選擇狹長(zhǎng)形的PCB，因?yàn)檫@些應(yīng)用里的電路板必須符合鉆孔和耐壓殼限制要求。選擇的電路板材料是一種耐高溫?zé)o鹵聚酰亞胺。指定電路板厚度為0.093英寸而非0.062英寸的標(biāo)準(zhǔn)厚度，因?yàn)檫@樣可以增加剛度和平坦度。

采用鎳金表面處理，其中鎳提供一個(gè)壁壘，可防止金屬間增生，金則為接頭焊接提供一個(gè)良好的表面。

對(duì)于選擇的0.093英寸電路板厚度，典型的四層堆疊中有一個(gè)約13密耳的銅隔離層和一個(gè)60密耳的大內(nèi)核。如果是六層結(jié)構(gòu)，則隔離層一般厚9.5密耳和28密耳。為此，我們采用了六層設(shè)計(jì)，這樣就可以在每個(gè)信號(hào)層設(shè)置一個(gè)接地層，從而改善噪聲性能。

電源和數(shù)字通信信號(hào)饋入一個(gè)連接器，模擬信號(hào)則饋入反向連接器。這樣就可以在數(shù)字域與模擬域之間實(shí)現(xiàn)良好的隔離和信號(hào)流。地的分割設(shè)在電路板中間，電源濾波則設(shè)于分隔處附近。盡量減少與分隔層相交的數(shù)字控制線路，采用串聯(lián)端接以減少數(shù)字噪聲耦合。用銅網(wǎng)絡(luò)接線在一個(gè)點(diǎn)把數(shù)字和模擬接地層焊接起來(lái)，為驅(qū)動(dòng)源提供一個(gè)低阻抗回路。

多路復(fù)用器控制信號(hào)與模擬部分長(zhǎng)度相同，但其敷設(shè)路徑與關(guān)鍵模擬信號(hào)路徑隔開(kāi)。在實(shí)踐中，這些多路復(fù)用控制線路會(huì)與采集數(shù)據(jù)測(cè)量同步改變，從而最大限度地減少了串?dāng)_效應(yīng)。

焊接

選擇Sn95/Sb05是為了在200°C的工作溫度下提供足夠高的熔點(diǎn)(>230°C)，同時(shí)還考慮了良好的操作性和裝配工廠的現(xiàn)有加工能力。

電路板安裝

我們?cè)谶@塊電路板上提供安裝柱是出于方便考慮，其僅適用于基準(zhǔn)測(cè)試或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境，不適合強(qiáng)沖擊和強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境。如果要用于強(qiáng)沖擊和強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境，可以先用環(huán)氧樹(shù)脂把組件固定在電路板上。對(duì)于IDC接頭等脆弱組件，可以采用密封方式或者從裝配件中移除。在井下或其他惡劣環(huán)境中，典型安裝方式是采用導(dǎo)軌安裝系統(tǒng)，用柔性抗沖擊安裝墊圈把整個(gè)電路板固定起來(lái)。也可以把裝配件完全密封起來(lái)并裝入安裝硬件中，然后把安裝硬件固定到底盤(pán)或外殼上。

有關(guān)相關(guān)器件的更多信息，請(qǐng)參閱 《面向高溫電子應(yīng)用的低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案》 一文。²

性能測(cè)試結(jié)果

我們對(duì)多塊電路板進(jìn)行了廣泛的測(cè)試，以評(píng)估其在工作溫度范圍內(nèi)的典型性能；同時(shí)還在200°C環(huán)境溫度下浸泡了200小時(shí)，以便測(cè)定裝配工藝和電路板的可靠性。

交流和直流信號(hào)鏈性能是基于SAR ADC的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵精度指標(biāo)。當(dāng)ADC以600 kSPS的速率運(yùn)行并且工作溫度為200°C時(shí)，魯棒的比率式平臺(tái)的串?dāng)_性能可達(dá)–100 dB以上，最大失調(diào)漂移達(dá)±60 mV。對(duì)于交流測(cè)試，用一個(gè)1 kHz的低失真音作為輸入信號(hào)，并用+5 VDC/–2.5 VDC模擬電源為電路板供電。圖6所示為該信號(hào)音在400 kSPS下的FFT及頻譜分析計(jì)算結(jié)果。在200°C下，SNR優(yōu)于84 dB，THD達(dá)–96 dB。圖7所示為SNR和SINAD，圖8所示為采用同一輸入音時(shí)，非多路復(fù)用通道在工作溫度范圍內(nèi)的THD。

圖6 200°C下的FFT及頻譜分析結(jié)果

圖7 工作溫度范圍內(nèi)的SNR和SINAD

圖8 工作溫度范圍內(nèi)的THD

我們測(cè)量了模擬和數(shù)字供電軌在工作溫度范圍內(nèi)的功耗，結(jié)果如圖9所示。室溫下的總功耗為155 mW，200°C下則增至225 mW。3.3 V供電軌上的功耗由以全時(shí)鐘速率運(yùn)行的微控制器和一個(gè)精密震蕩器為主。我們?yōu)檗D(zhuǎn)換器設(shè)定的突發(fā)采樣速率為每秒8192個(gè)樣本。

圖9 2.5 V、3 V和5 V供電軌的功耗

有關(guān)額外參數(shù)的測(cè)試結(jié)果請(qǐng)參閱參考平臺(tái)，其額定參數(shù)指標(biāo)符合200°C工作溫度要求。

應(yīng)用示例

油氣勘探、航空航天和重工業(yè)領(lǐng)域的多種應(yīng)用通過(guò)加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)定向和震動(dòng)檢測(cè)。搭載模擬輸入的加速度計(jì)具有最高的精度，而且非常靈活，能根據(jù)應(yīng)用需要調(diào)節(jié)傳感器輸出。

ADXL206是一款完整的精密型低功耗雙軸iMEMS?加速度計(jì)，可用于高溫環(huán)境。其范圍為±5 g，帶寬范圍為0.5 Hz至2.5 kHz。ADXL206的輸出以? VCC為中心，與VCC成比率。如果ADXL206和EV-HT-200CDAQ1共用VCC（在連接器上提供），則可以用多路復(fù)用器S7通道上的VCC基準(zhǔn)電壓源清零直流失調(diào)和電源漂移。圖10為一個(gè)示例電路。必須按?的比例因子對(duì)ADXL206的信號(hào)范圍（0 V至5 V）進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其與精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)0 V至2.5 V的范圍相擬合。具體方法是，先緩沖輸出，然后使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部的衰減器。C2和C3設(shè)定ADXL206的帶寬；圖9中的例子所示帶寬為33 Hz。低帶寬應(yīng)用可以使用多路復(fù)用器輸入；要實(shí)現(xiàn)最高的帶寬和精度，可以使用兩個(gè)非多路復(fù)用輸入通道。

小結(jié)

本文介紹了一種新的、高度集成的魯棒型精密數(shù)據(jù)采集參考平臺(tái)，EV-HT-200CDAQ1，該平臺(tái)經(jīng)過(guò)測(cè)定，其參數(shù)指標(biāo)符合200°C工作溫度要求。借助該平臺(tái)，高溫電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以在原型制作和評(píng)估中使用最先進(jìn)的組件，從而縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間和上市時(shí)間。有關(guān)該平臺(tái)的更多信息（包括整個(gè)設(shè)計(jì)包和軟件），請(qǐng)點(diǎn)擊 此處 。

圖10 高溫加速度計(jì)與EV-HT-200CDAQ1的接口

參考文獻(xiàn)

1   Jeff Watson和Gustavo Castro，“高溫電子設(shè)備對(duì)設(shè)計(jì)和可靠性帶來(lái)挑戰(zhàn)”，模擬對(duì)話，第46卷第4期，2012年4月。

2   Jeff Watson和Maithil Pachchigar，“面向高溫應(yīng)用的低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案”，模擬對(duì)話，第49卷第3期，2015年8月。

3   CN-0365：面向高溫環(huán)境的16位、600 kSPS、低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，ADI公司，2015年6月。

4   Alan Walsh，“面向精密SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端放大器和RC濾波器設(shè)計(jì)”，模擬對(duì)話，第46卷第4期，2012年12月。

5   John L. Evans、James R. Thompson、Mark Christopher、Peter Jacobsen和R. Wayne Johnson，“不斷變化的汽車(chē)環(huán)境：高溫電子設(shè)備”，《IEEE電源電子會(huì)刊》，第27卷第3期，2004年7月。