基于以太網(wǎng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度全自動修正方法

倪繼鋒，張 程

(1．上海師范大學(xué) 信息與機電工程學(xué)院，上海201418;2．上海航天控制技術(shù)研究所，上海200233)

0 引言

在控制系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是整個系統(tǒng)的核心部分，其轉(zhuǎn)換精度直接決定控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣［1］．隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，各半導(dǎo)體廠商推出了多款高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其采樣率和轉(zhuǎn)換位數(shù)都不斷提高，極大地豐富了工程師的設(shè)計選擇．但就目前技術(shù)而言，運算放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片都存在一定的誤差，降低了轉(zhuǎn)換后的精度．

為了提高模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，通常需要通過標定和線性擬合的方法來消除誤差，但每次人工標定又需要測試大量的數(shù)據(jù)以保證修正參數(shù)的可靠性［2］．文獻中設(shè)計的一款基于PXI總線的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換卡(以下簡稱AD卡)，在量產(chǎn)階段不僅人工標定費時費力，測試、記錄、計算需要花費大量的時間，而且人工計算經(jīng)常容易出錯，給生產(chǎn)制造帶來極其不便［3］．

本文作者以AD卡為被測對象，在以太網(wǎng)的平臺上，將信號源、示波器和萬用表等標準儀器設(shè)備與被測系統(tǒng)組成一個閉環(huán)的測試網(wǎng)絡(luò)，采用上位機軟件控制、采集數(shù)據(jù)，自動對數(shù)據(jù)進行分析處理，得到修正參數(shù)．并且系統(tǒng)自動將參數(shù)存儲到模數(shù)轉(zhuǎn)換卡板載的EEPROM中，在保證測試精度的前提下實現(xiàn)了測試過程的自動化．

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文作者提出基于以太網(wǎng)平臺的全自動修正方法來提升AD卡的測量精度．以太網(wǎng)是一種計算機局域網(wǎng)技術(shù)，基于IEEE802．3標準，規(guī)定了包括物理層的連線、電信號和介質(zhì)訪問層的協(xié)議內(nèi)容，是當(dāng)前最流行的局域網(wǎng)技術(shù)［4］．目前許多公司新推出的標準儀器都添加了以太網(wǎng)接口，如示波器、信號源和萬用表等．

系統(tǒng)設(shè)計的平臺是利用路由器將信號源、萬用表、示波器和PXI總線計算機組成一個測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，PXI總線計算機控制信號源輸出一個0．5 Hz的方波，初始幅度高電平為1 V，低電平為－1 V．通過信號分配板輸入到被測的AD卡中，在信號分配板上連接測試點．用萬用表測量真實的輸出電壓值，并將得到的電壓值發(fā)送到PXI總線計算機，PXI總線計算機同時讀取AD卡采集的電壓值．然后再次控制信號源增大其輸出信號的幅度高電平為2 V，低電平為－2 V．測試范圍覆蓋滿量程后停止(被測AD卡的滿量程范圍是:－10～+10 V)，最后計算相應(yīng)的修正值．

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)中的信號分配板以單片機為主控制器，接收上位機發(fā)送的指令，分時控制8個繼電器，將信號源輸出的信號送入到被測AD卡的8個通道．在信號分配板與PXI上位機之間采用RS232總線通訊．硬件連接框圖如圖2所示．

2．1 開關(guān)陣列與驅(qū)動電路

將8個單刀雙擲繼電器的刀端相連成一點接到信號源的輸出端，將8個常開端分別連接到AD卡的8個通道，單片機控制繼電器分時切換，即完成8選1的操作．繼電器驅(qū)動芯片采用TI公司的高性能驅(qū)動器ULN2803A，其外部電路簡單，即使8路同時滿占空比輸出，驅(qū)動電流僅約150 mA，完全能夠驅(qū)動系統(tǒng)中所有的繼電器．

2．2 RS232串口通訊電路

RS232串行通訊是較為常用的短距離(小于15 m)信號傳輸方式，被廣泛應(yīng)用于PC機與工業(yè)設(shè)備通訊領(lǐng)域中．RS232采用單端負邏輯的傳輸方式，即邏輯“1”對應(yīng)－3～－12 V，邏輯“0”對應(yīng)+3～+12 V．系統(tǒng)中使用主流的Maxim公司MAX232串口通訊通訊協(xié)議芯片，設(shè)置波特率為115 200，帶1位停止位和奇校驗［5］．

2．3 單片機及其配置電路

信號分配板以ATMEL公司AVR系列單片機MEGA128A為控制核心，采用5 V的電源供電，為保證串口通訊的穩(wěn)定可靠，選擇晶振的頻率為11．059 2 MHz，使用JTAG方式配置單片機 選擇此芯片作為控制器核心，既保證了性能又降低了成本．

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3．1 軟件控制流程

首先PC機控制信號源輸出0．5 Hz，幅度為－1～+1 V的方波，同時讀取AD卡和萬用表的測試值，總共讀取256次．為避免在256個點的讀取過程中，正好遇到方波的翻轉(zhuǎn)，系統(tǒng)采用智能的識別方法，如果某個采樣值的偏差大于或小于平均值正負20 LSB時，認為可能采集到方波的跳變，故將這組采集數(shù)據(jù)丟棄并重新采集．若采樣值在偏差范圍內(nèi)，則記錄當(dāng)前的測試值．然后設(shè)置信號的輸出幅度為－2～+2 V并采集，如此循序漸進．最后當(dāng)采樣值覆蓋滿量程后，計算出相應(yīng)的線性修正系數(shù)，并將其保存到AD卡的EEPROM中．所有通道都測試完成后，軟件自動生成測試報告，成為用戶使用的依據(jù)．軟件流程圖如圖3所示．

圖3 軟件流程圖

3．2 修正算法的實現(xiàn)

修正系數(shù)的計算是系統(tǒng)的核心部分，主要采用平均與線性擬合的算法．上位機通過網(wǎng)絡(luò)將萬用表當(dāng)前測得的電壓值讀取256次后取平均值，記為W0，同時讀取AD卡上的256個點的數(shù)據(jù)后求出平均值，記為 V0．當(dāng)滿量程全部測試完成后，得到(W0，W1，W2，W3，…，W20)與(V0，V1，V2，V3，…，V20)兩組數(shù)據(jù)，兩者的關(guān)系是W=Va+b．根據(jù)最小二乘法將這兩組數(shù)據(jù)作線性擬合［7］，如式(1)所示:

當(dāng)D取最小值時，擬合得到a和b的值是最理想的．將D對a和b分別求一階偏導(dǎo)數(shù)，如式(2)所示:

再求二階偏導(dǎo)數(shù)，如式(3)所示:

顯然:

因為二階偏導(dǎo)大于0，所以當(dāng)一階偏導(dǎo)為0時，D滿足最小值條件．

令式(2)等于0，如式(4)所示:

求解得:

式(5)中的a和b的值即為線性修正系數(shù)，通過軟件計算出這兩個系數(shù)后自動將其保存在AD卡板載EEPROM中．通過比較線性修正前后數(shù)據(jù)，得到AD卡采集誤差對比如表1所示:

表1 修正前后數(shù)據(jù)對比及分析

從表1中可以明顯看出，經(jīng)過修正后，AD卡在直流電壓量的采集精度上有了顯著提高，將原先誤差降低到1 mV以下，由此表明這種方法在AD轉(zhuǎn)換中對精度的修正中有明顯的效果．

3．3 基于LabVIEW的顯示終端

系統(tǒng)的顯示終端是基于NILabVIEW開發(fā)的［8］，其功能是控制信號源輸出和讀取AD卡和萬用表的測試數(shù)據(jù)值，根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算修正系數(shù)和誤差值，同時判斷誤差是否在AD卡設(shè)計的誤差范圍之內(nèi)．如果誤差在偏差范圍之外，則以紅色字體表示，并在狀態(tài)欄里顯示報警提示．顯示界面如圖4所示．

圖4 顯示界面圖

4 結(jié)束語

本文作者提出的基于以太網(wǎng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度全自動修正方法，以PXI總線的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換卡為被測對象、以太網(wǎng)為測試平臺，目前已經(jīng)在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用．應(yīng)用此設(shè)備后生產(chǎn)效率大幅度提高，數(shù)據(jù)差錯率也很低．

對于本方法的擴展應(yīng)用，可根據(jù)實際條件靈活選擇不同的硬件平臺，例如將GPIB總線替代以太網(wǎng)、采用高精度DA卡替代數(shù)字信號源等，能夠?qū)崿F(xiàn)計算機自動化標定修正，為生產(chǎn)方提供便利．

［1］彭燦明，曾德勝，潘日明．模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換中的精度問題分析［J］．電腦知識與技術(shù)，2010，6(15):4001－4005．

［2］高同山，劉釗，張慶勛．機械公法線千分尺示值誤差測量不確定度的線性擬合［J］．工業(yè)計量，2012，22(5):22－23．

［3］嚴昭瑩，李小杰，張美娟．基于PXI總線的高精度同步數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計［J］．工業(yè)儀表與自動化裝置，2011(4):41－44．

［4］方向前，賀煥林，穆維新．基于以太網(wǎng)技術(shù)的局域網(wǎng)系統(tǒng)傳輸性能測量方法［J］．中原工學(xué)院學(xué)報，2005，16(6):51－53．

［5］馮建斌，韓彥民．串口設(shè)備通訊協(xié)議設(shè)計淺談［J］．河北省科學(xué)院學(xué)報，2005，22(Z1):154－155．

［6］王群澤，胡方明，林漢成，等．基于Flash和JTAG接口的FPGA多配置系統(tǒng)［J］．單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011，11(4):37－40．

［7］都強，杭柏林．最小二乘法在多傳感器測量標定中的應(yīng)用［J］．傳感技術(shù)學(xué)報，2005，18(2):244－246．

［8］胡仁喜，高海賓．LabVIEW2010中文版虛擬儀器從入門到精通［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2012．