數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中自動校準技術(shù)的研究

胡軼群，徐俊臣，杜玉杰，李冠宇，邱文博，楊子原

（國家海洋技術(shù)中心，天津300112）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中自動校準技術(shù)的研究

胡軼群，徐俊臣，杜玉杰，李冠宇，邱文博，楊子原

（國家海洋技術(shù)中心，天津300112）

為使海洋觀測設(shè)備在室外惡劣環(huán)境條件下仍可實現(xiàn)高可靠性、高準確性的自動數(shù)據(jù)采集，從而實現(xiàn)無人管理工作，介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動校準技術(shù)，即通過一個校準輸入通道，產(chǎn)生兩個高精度的基準信號，用軟件的方法對模擬測量通道進行校準，以保證測量準確度。此技術(shù)已經(jīng)過實驗論證，并在海洋監(jiān)測、氣象、環(huán)保等方面取得了廣泛的應(yīng)用。要保證自校準電路正常工作，選擇一個高穩(wěn)定性基準源，是本設(shè)計的一個關(guān)鍵因素，要求基準源必須具有高精度、低溫度系數(shù)和高穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)采集；自動校準；基準信號

隨著海洋觀測技術(shù)的發(fā)展，以單片機為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)在海洋觀測領(lǐng)域占據(jù)越來越重要的地位。數(shù)據(jù)采集技術(shù)作為信息科學(xué)的一個重要分支，是以傳感器技術(shù)、信號測量與處理技術(shù)、微型計算機等技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門綜合應(yīng)用型技術(shù)，是獲取信息的基本手段。為使海洋觀測設(shè)備在室外惡劣環(huán)境條件下仍可實現(xiàn)高可靠性高準確性的自動數(shù)據(jù)采集，從而實現(xiàn)無人管理工作，本文介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動校準技術(shù)，此技術(shù)已經(jīng)過實驗論證，并在海洋監(jiān)測、氣象、環(huán)保等方面取得了廣泛的應(yīng)用。

1 自校準方法的工作原理

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)圖

如圖1，數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心模塊，完成各個傳感器數(shù)據(jù)和采集器工作狀態(tài)的采集、數(shù)據(jù)校準、數(shù)值計算、數(shù)據(jù)的分析處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通訊并控制管理系統(tǒng)中其他模塊的工作。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，前向模擬通道的各個部件，包括信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）都會在不同程度上給測量結(jié)果帶來誤差，而且由于電路自身的漂移，該誤差會隨著溫度和時間而漂移。要保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在全溫度范圍的測量準確性，必須在技術(shù)上解決電路漂移的影響。

模擬測量系統(tǒng)的誤差分為零點誤差、增益誤差（滿度誤差）和非線性誤差三種類型。一般集成運算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常都具有優(yōu)異的線性度，例如24位模數(shù)裝換器AD7714的非線性誤差為±0.0015﹪。但是模擬測量系統(tǒng)的零點和增益誤差是隨時間和溫度變化的，難以通過一次設(shè)備標定永久解決問題。

為保證測量準確度，本文提出在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用自校準電路：通過一個校準輸入通道，產(chǎn)生兩個高精度的基準信號，用軟件的方法對模擬測量通道進行校準，工作原理如圖2所示。

圖2 n通道自校準模數(shù)轉(zhuǎn)換原理框圖

2 自校準技術(shù)的硬件實現(xiàn)及軟件流程

自動校準部分模擬電路如圖3所示：

圖3 自校準模擬通道電路圖

高穩(wěn)定性基準源輸入的電壓VREF在電阻上所得分壓與ADC輸出的二進制數(shù)A之間存在線性關(guān)系：V=K*A+B，其中K、B為待定系數(shù)。當(dāng)S0與S1接通，V值為VREF在電阻R4上的分壓：VL=VREF*（15/4096），通過ADC得讀數(shù)為A1；當(dāng)S0與S2接通，V值為VREF在電阻R2上的分壓：VH=VREF*（4081/4096），ADC 讀數(shù)為 A2；由上可得待定系數(shù)K與B的值。當(dāng)系統(tǒng)所處環(huán)境溫度發(fā)生變化或時間變化時，VL、VH發(fā)生相應(yīng)變化，此時可根據(jù)線性關(guān)系V=K*A+B，隨時校準系數(shù)K、B的值，實現(xiàn)模擬通道測量的實時校準。

基準電壓源進入帶校準功能的模擬開關(guān)MAX4539。模擬開關(guān)利用激光微調(diào)技術(shù)在內(nèi)部集成了高精度的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，分壓比精度高達0.002%，可為ADC提供進行零點校準和增益校準所需的兩路高精度標準信號。

圖4 MAX4539內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

MAX4539的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。它是在一個普通8通道CMOS模擬開關(guān)的基礎(chǔ)上增加了一個電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，分壓網(wǎng)絡(luò)將外部輸入的基準電壓分壓后經(jīng)過選擇開關(guān)送往多路器輸出端。譯碼電路將控制信號及地址信號譯碼后控制內(nèi)部開關(guān)，實現(xiàn)輸入通道選擇。

MAX4539與CPU接口非常簡單，CPU通過控制引腳CAL和地址引腳A0～A2進行通道選擇。當(dāng)CAL為低電平時，相當(dāng)于一個普通8選1模擬開關(guān)，通過地址A0～A2可分別選擇8個模擬輸入通道。當(dāng)CAL為高電平時，通過A0～A2可分別選擇低校準信號15/4096(VREFHI-VREFLO)和高校準信號4081/4096(VREFHI-VREFLO)，用于ADC的校準。

對任意模擬量通道進行數(shù)據(jù)采集之前，首先進行低校準信號和高校準信號的數(shù)據(jù)采集，實時計算出當(dāng)前信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）的零點和增益，然后進行所選模擬通道的數(shù)據(jù)采集并校準，從而解決了系統(tǒng)的時間漂移和溫度漂移。具體校準過程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集自動校準流程

3 高穩(wěn)定性的基準電壓源的選擇

由上可知，要保證自校準電路正常工作，選擇一個5 V的高穩(wěn)定性基準源，是本設(shè)計的一個關(guān)鍵因素，要求基準源必須具有高精度、低溫度系數(shù)和高穩(wěn)定性，本系統(tǒng)選用MAX6350，其主要優(yōu)勢如下：

（1）初始精度高。MAX6350芯片的初始精度為±0.02﹪，5 V基準的準確范圍是4.999～5.001 V，在滿量程時最大誤差為0.001 V，完全符合一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量指標。

（2）驅(qū)動能力強。大多數(shù)應(yīng)用都需要電壓基準源為負載供電，要求基準源有能力提供負載所需的電流。文中提及的MAX6350可提供15 mA的供出和吸入電流。

（3）溫度漂移小。MAX6350溫度系數(shù)為1 ppm/℃，以數(shù)據(jù)采集器工作溫度-30～+50℃共計80℃的范圍內(nèi)，基準源的變化范圍ΔV=1ppm/℃×5V×80℃=0.000 4 V，即滿量程測量時最大誤差為0.000 4 V，完全符合一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量指標。另外，芯片溫漂是可重復(fù)性的誤差，是一個可校準的系統(tǒng)偏差。通過MAX6350的溫度特性曲線和使用單片機的片內(nèi)溫度傳感器測量電路板的溫度，可以實現(xiàn)這一誤差的修正，這為以后系統(tǒng)提高測量精度提供了基礎(chǔ)。

（4）低噪聲。噪聲通常是隨機熱噪聲，對于低噪聲應(yīng)用MAX6350是很好的選擇，其噪聲性能為3μVp-p。與數(shù)據(jù)采集器的測量指標相比可忽略。

（5）長期穩(wěn)定性。該參數(shù)定義為基準電壓隨時間的變化，是電路能否長期保持高精度測量的關(guān)鍵。MAX6350具有較好的長期穩(wěn)定性，其長期穩(wěn)定性指標為30 ppm/1 000 hr。轉(zhuǎn)換成電壓的變化為0.000 15 V。

4 結(jié)語

數(shù)據(jù)采集器工作在惡劣的海洋環(huán)境，尤其在室外安裝使用時，環(huán)境溫度變化及時間變化引起的誤差不容忽視，所以必須采取措施解決電路的溫漂、時漂問題，保證測量準確度。本文中提出采用自校準電路來保證測量精度，經(jīng)實驗證實，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用自校準電路的確可以實現(xiàn)實時校準，從而保證了測量的高精度，實現(xiàn)了低功耗、高可靠和適應(yīng)室外惡劣環(huán)境的設(shè)計目標。

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Research on Automatic-calibration Technology in Signal Processing System

HU Yi-qun,XU Jun-chen,DU Yu-jie,LI Guan-yu,QIU Wen-bo,YANG Zi-yuan
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

In order to actualize self-management,the research on automatic-calibration technology in the signal processing system was discussed.Two high precision benchmark signals were brought through one calibration input channel.In order to guarantee the measure nicety,a set of software to calibration for the simulation measure channel was programmed.This technology has been demonstrated according to the experimentation and obtained application abroad in various aspects.A high-stabilization benchmark is a key in this design.

signal processing;automatic-calibration;benchmark signal

P716，TP274

B

1003-2029（2012）01-0021-03

2011-07-10

胡軼群（1981-），工程師，主要從事單片機硬件設(shè)計及軟件編程。