基于MAX1452的應變測試系統前端模塊的設計

安都勛，霍建華，王留全

（中國飛行試驗研究院 陜西 西安 710089）

在飛行試驗中，對飛機應變量進行測試是十分普遍而且重要的，也是鑒定飛機本身的性能和安全的重要依據[1]。隨著飛機飛行試驗中需要測試的應變參數數量的大量增加和機載測試技術的發展，我國飛行試驗中正在采用當前國際先進的網絡化分布式測試系統和測試設備進行飛機試驗[2]。飛機本身安裝設備和采集精度的要求，網絡化的機載測試系統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需要測試的部位。傳統的應變采集設備一般使用的是大量的分立元器件進行設計，各通道獨立性不強，采集電路的噪聲比較大，沒有溫度修正功能，使得采集的應變參數這類微小信號精度不高。并且設備的體積和功耗比較大，占用了飛機內部寶貴的空間和電源功率。針對以上問題，在新的網絡化分布式機載應變測試系統的中采用了Maxim公司高度集成的MAX1452傳感器調理芯片來設計了新型的前端應變采集模塊。

筆者利用MAX1452內部集成的4個高精密DAC為全橋構成式應變片的電路提供可編程的精密電壓激勵，設置偏移量及溫度修正等功能實現[3]，比利用內部集成的PGA對電橋產生的微應變信號進行程控放大。經過MAX1452調理后的信號通過高性能的開關電容濾波器MAX7420進行5階低通濾波，然后由SPI接口的A/D芯片進行轉換，由FPGA對16位A/D數據進行編碼輸入到網絡接口當中去。采集電路使用芯片少，封裝小，功耗低，并通過電路板的設計實現了通道供電及工作的完全獨立，當某一通道因傳感器發生故障時不影響其他通道的工作，有效降低了應變飛行課題的試驗成本。

1 系統總體設計

該應變采集模塊結構圖如圖1所示，整個系統由一塊數字板，兩塊模擬板上下連接構成，在對多通道的應變信號參數的測試過程中：當系統上電初始化過程中，模塊的數字板中的主控制器FPGA通過網絡接口接收來自網絡系統的加載命令，對兩塊模擬板中的每個應變通道的調理芯片MAX1452進行軟件編程，設置激勵電壓，偏置電壓，增益，并調節MAX7420的時鐘信號頻率來調節濾波截止頻率；當在采集過程中，對多個通道進行同步采集，并將采集到的應變參數進行編碼，通過數字板上的網絡接口發送給網絡總線控制器；同時，讀取每個應變通道中MAX1452內部集成的溫度傳感器的8位數據，判斷模塊各個通道環境溫度，并依據溫度高低通過激勵電壓和偏置電壓進行修正，最終完成整個前端模塊的采集工作。

圖1 應變采集模塊系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the strain sample module system

2 系統硬件設計

應變采集模塊系統硬件分數字電路和模擬電路組成。模擬電路由多個單獨的應變通道調理電路組成，每個通道都是一樣的，都是由激勵電壓電流增強電路，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，其硬件設計圖如圖2所示。數字電路主要包括了28 V的直流電源變換電路，FPGA及其外圍電路和網絡接口電路組成；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理芯片MAX1452來處理微應變信號進行介紹，數字電路部分下面不再詳細介紹。

圖2 單通道系統硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of the a channel hardware system

2.1 MAX1452簡介

MAX1452是Maxim公司生產的一種高度集成的模擬傳感器信號處理器，可用于優化工業和過程控制中采用阻性元件的傳感器。MAX1452具有放大、校準和溫度補償功能，其綜合工作特性可以逼近傳感器所固有的可重復能力。其全模擬信號通道在輸出信號中不會引入量化噪聲，并利用集成的16位數模轉換器（DAC）實現數字化校準。利用16位DAC對信號的偏移量和跨度校準，賦予傳感器產品真正的可互換性[4]。

MAX1452結構包含1個可編程傳感器激勵、1個16級可編程增益放大器（PGA）、1個768字節內部EEPROM、4個16位DAC、1個通用的運算放大器以及1個內嵌的溫度傳感器。除偏移量和跨度補償外，MAX1452還利用偏移量的溫度系數（TC）和跨度溫度系統（FSOTC）提供獨特的溫度補償，在提供非凡的靈活性的同時降低了檢測成本。

該芯片的性能特點主要是單芯片提供了一條傳感器信號的模擬放大電路，如圖2所示。它利用模擬架構實現了一階溫度響應修正。在此基礎上利用其它數字控制的模擬放大通道實現了非線性溫度響應修正。校準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電壓和激勵電流來實現的。PGA具有從39 V/V至236 V/V之間16級放大增益。它使用了4個16位DAC，并由用戶將校準系數存放于其內部768×8EEPROM中。這些內存都是以16位字的形式存放的，包括了配置寄存器、偏移量校準系數表、偏移量溫度系數寄存器、跨度（FSO）校準表、跨度溫度誤差修正系數寄存器等內容，使得硬件電路的設計更加方便可靠。

2.2 單通道應變采集電路硬件實現

根據MAX1452芯片特性可知，MAX1452對外部傳感器提供了可編程的電壓源激勵或電流源激勵。當對外部傳感器供電時，要求外部傳感器供電滿足片上激勵源輸出電流或者電壓的限制條件?？紤]到本次開發的應變測試系統使用的傳感器應變電橋是350 Ω阻抗，當提供+5 V電壓激勵時，需要提供大約14 mA的電流，而MAX1452僅能提供最大2.5 mA的電流，因此需要增強其電流驅動能力。同時，MAX1452適應于輸出靈敏度為4 mV/V到60 mV/V的傳感器，而本系統中應變電橋在測量最小范圍1 000 μs時，10 V供電才產生5 mV的輸出電壓信號，因此在MAX1452和應變電橋之間尚需要一高精度差分放大器進行預放大。

MAX1452內部的4個16位DAC模塊的基準都來自于它的電源引腳VDD，因此其供電電壓的精度對性能的影響很大，這里采用了一個高性能電壓基準芯片MAX15006B將+12 V供電電壓轉換為高精度的+5 V電壓，為MAX1452及其它芯片提供一個穩定電源與基準電壓。值得注意的是，此處系統電路硬件和軟件設計僅僅在工作模式上使用了處于非比例工作電路的MAX1452的數字模式，在溫度修正方面使用了一階線性溫度修正功能，而并沒有考慮MAX1452的其他工作模式。

MAX1452通過一個雙向的引腳DI/O與微控制器交換數據，它們之間進行通信的協議是異步串行通訊。當主機發送初始化序列時，MAX1452將自動檢測主機的波特率。無論MAX1452內部震蕩器如何設置，使用4 800 bps與38 400 bps之間的波特率都可以檢測得到。數據格式為始終為1個起始位、8個數據位、1個停止位，沒有奇偶校驗位。引腳UNLOCK一個功能是控制MAX1452與微機通信的狀態：當其為低電平時，禁止MAX1452與微控制器進行通訊。引腳UNLOCK的另一個功能是配合加密鎖控制寄存器 （即 CL[7：0]）對MAX1452的工作模式進行設置，此處沒有使用該模式，僅將其連接到微控制器的一個通用I/O口上即可。CLK1M引腳通過配置寄存器向外部提供一個標準的1 MHz的時鐘信號以供外部控制器使用，可以減少外部震蕩電路的設計；當不需要使用該信號時，也可以通過配置寄存器關閉該時鐘信號的輸出，以降低EMC干擾。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括MAX1452集成芯片固件驅動程序設計和整個采集模塊系統控制程序的設計2大部分。這里我們使用的是大規模可編程邏輯FPGA芯片實現的。開發使用的語言采用了VerilogHDL硬件描述語言[5]，開發環境是QuartusII軟件的10.1版本[6]。由于FPGA控制器和MAX1452進行通信的軟件設計是本次軟件開發的難點和重點，本文以下對其詳細介紹。

FPGA控制器與MAX1452的通訊采用了異步串行通信協議，需要使用一個雙向數據線實現數據的輸入輸出。FPGA可以使用一個通用的雙向I/O引腳來模擬異步串行異步通信，也可以利用大部分微控制器上集成的異步串行通訊接口來（如當前通用的C51系列單片機或ARM芯片等）實現。本次應變測試系統的設計利用了微控制器內部集成的異步通訊外設（波特率需要設置在4 800 bps與38 400 bps之間，數據格式要設置為1個起始位、8個數據位、1個停止位，無奇偶校驗位）來實現對MAX1452的寄存器進行讀寫控制。

當MAX1452工作在數字模式下 （本次設計即采用了這種模式），FPGA要通過串行接口命令來加載寄存器數值 （包括了DAC數據寄存器和配置寄存器等），對內部的EEPROM進行擦除或數據加載，或者讀取MAX1452內嵌的溫度傳感器的數值。實現的步驟依次是在穩定電源給器件供電1 mS后，首先發送一個初始化序列字節（0x01h），如果必要的話還需要發送一個重新初始化系列字節 （0xFFh）；其次按照IRS（接口寄存器集）確定的格式（見參考文獻）對所有寄存器、EEPROM單元和溫度索引值進行讀寫訪問。微控制器訪問MAX1452的數據格式圖3所示。

圖3 FPGA和MAX1452通信的數據格式圖Fig.3 Data format diagram of the communication protocol

微控制器通過MAX1452對傳感器芯片進行調理的過程其實就是不斷地對MAX1452內部各種不同用途寄存器進行讀寫訪問的過程。通過上面的說明我們可以看到讀寫寄存器不僅需要通訊格式命令，還需要按照IRS格式不斷進行拆分字節和組合字節，這里我們給出微控制器訪問配置寄存器的程序流程圖，如圖4所示，以便讀者更加清楚了解。

4 結 論

圖4 軟件設計流程圖Fig.4 Flow chart of the software design

文中通過上述系統的軟硬件設計，實現了網絡化應變測試系統中前端電路采集模塊的設計，滿足了網絡化應變測試系統中對前端采集模塊設計中所要求的特點。采用這種集成的傳感器信號調理芯片的設計方案在進行飛行試驗的實際應用中具有采集精度高，體積和供號小，可以按照要求分布式安裝在飛機各個空間狹小的部位，達到了預期的設計目的。

[1]薛軍，紀敦，李猛，等.飛機結構應變信號的采集與預處理系統數據采集與處理 [J].數據采集與處理，2009，24（4）：315-317.XUE Jun， JI Dun， LI Meng， et al.Strain data acquisition and preprocessing system for aircraft structure[J].Journal of Data Acquisition and Processing，2009，24（4）:315-317.

[2]杜鵬飛，陳國順.網絡化測試技術研究與應用[J].微機算機信息，2010，26（6-3）：122-124.DU Peng-fei，CHEN Guo-shun.Research and applications of network test technology[J].Microcomputer Information，2010，26（6-3）:122-124.

[3]劉鵬，楊學友，楊凌輝，等.基于MAX1452硅壓力傳感器信號溫度補償系統的設[J].儀表技術與傳感器，2010（4）:61-64.LIU Peng，YANG Xue-you，YANG Ling-hui，et al.Design of compensating silicon piezoresistive sensor error based on MAX-1452[J].Instrument Technique and Sensor，2010（4）:61-64.

[4]Maxim integrated products Inc.MAX1452 data sheet.[EB/OL].[2011-11-11].www.maxim-ic.com.

[5]夏宇聞.VerilogHDL數字系統設計教程[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[6]吳繼華，王誠.Altera FPGACPLD設計高級篇[M].2版.北京：人民郵電出版社，2011.