基于C51的多通道高精度電壓轉(zhuǎn)換模塊設計*

王志偉，陸錦軍

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，江蘇無錫214153）

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基于C51的多通道高精度電壓轉(zhuǎn)換模塊設計*

王志偉*，陸錦軍

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，江蘇無錫214153）

摘要：為滿足不同工業(yè)現(xiàn)場調(diào)校熱電偶及后級控制器的需要，實現(xiàn)高精度溫度測量，設計了多通道高精度電壓轉(zhuǎn)換模塊。硬件系統(tǒng)以C8051F064為控制核心，利用AD8572等高性能芯片及軍品級精密分立器件搭建線性運放電路，運用16 bit DA轉(zhuǎn)換器MAX5541實現(xiàn)高分辨率轉(zhuǎn)換輸出，用以產(chǎn)生符合后級測控所需的標準雙極性信號。通過逐點給定0～10 V輸入電壓測試實物輸出，實測結(jié)果證明，該模塊具有穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)換精度高（可達±0.01%）等特點，完全滿足不同工業(yè)現(xiàn)場的測控需要。

關(guān)鍵詞：電壓轉(zhuǎn)換模塊；高精度；實物測試；SPI總線；線性度

熱電偶是工業(yè)現(xiàn)場最常用的測溫器件，但因為其輸出電壓等級低、線性度易隨外界因素變化，影響著工業(yè)現(xiàn)場控制器的測控精度，該轉(zhuǎn)換模塊不僅在硬件上的角度上，具體從元件選型、電路搭建以及PCB布局等方面優(yōu)化硬件設計，確保整個系統(tǒng)每一個環(huán)節(jié)不出現(xiàn)短板，同時在軟件上對AD轉(zhuǎn)換及DA轉(zhuǎn)換實施實時跟蹤校準，該模塊實測結(jié)果各項指標均超過了設計要求，完全滿足了航空、冶金等工業(yè)現(xiàn)場搭建高精度溫度測控系統(tǒng)的要求［1］。

1　系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)由前級輸入電路、C8051F064、串行DA轉(zhuǎn)換電路等后級輸出電路組成，整體框圖如圖1所示。

該電路電路設計參數(shù)為：熱電偶輸入電壓為0～10 V，后級輸出兩路隔離電壓范圍：-10 mV~100 mV，轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于±0.02% FS，輸出電壓滿量程80%~ 90%轉(zhuǎn)換時間小于20 ms，驅(qū)動負載阻抗不小于3 kΩ，負載穩(wěn)定度≤0.1%，并可通過硬件和軟件實現(xiàn)輸出范圍的調(diào)整。為實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的超高精度，要求每一部分電路核心部件采用高性能集成電路及高精度軍品級分立元器件［2］。

圖1　統(tǒng)整體設計框圖

2　系統(tǒng)電路設計

2.1系統(tǒng)供電電源設計

為保證轉(zhuǎn)換精度的需要，系統(tǒng)需要高精度的供電電源，由于后級控制器提供了+24 V的直流電源，現(xiàn)需將此電壓轉(zhuǎn)換為±5 V、5 V、3.3 VD、 3.3 VA，系統(tǒng)選擇了高精度電源模塊IA2405S-1W5和IB2405LS-W75，其在輸入電壓變化為± 5%時，輸出電壓變化不超過±0.25%；負載調(diào)節(jié)率，在負載10%～100%變化時，其輸出電壓變化不超過±1%；同時通過高精度電源轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3給單片機提供供電電壓［3］。

圖2　系統(tǒng)DC-DC供電模塊

2.2前級輸入電路設計

前級電路包括了分壓轉(zhuǎn)換電路、超高精度基準電壓源。基準電路選用超高精度帶隙基準電壓源AD780，為單片機系統(tǒng)提供2.5 V基準電壓VREF0，它具有低初始誤差、低溫度漂移和低輸出噪聲（100 nV/√Hz），精度可達±1 mV（最大值）的特點，非常適合用于增強高分辨率ADC和DAC的性能，以及任何通用精密基準電壓源應用。分壓轉(zhuǎn)換電路由分壓電路及電壓跟隨器組成，其中分壓電路由精密電阻EE4、EE5及EE6進行分壓，3個電阻采用0.02%高精度電阻，其組成分壓電路的分壓比為4∶1（即將熱電偶的0～10 V轉(zhuǎn)換為C8051所能處理的0～2.5 V電壓），并由雙通道、單電源CMOS精密輸入放大器AD8572組成電壓跟隨器，其具有極低失調(diào)電壓、寬信號帶寬以及低輸入電壓和電流噪聲等特性，在該電路有效提高了輸入電阻，優(yōu)化了信號特性，電路圖3所示［4］。

圖3　系統(tǒng)單路分壓電路及基準電壓源

2.3單片機配置

系統(tǒng)選用C8051F064作為控制核心，C8051F單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)芯片（SoC），具有高速、高性能、高集成度等特點，適應于工作溫度為（-40℃～+84℃）及工業(yè)級現(xiàn)場，并具有兩個16 bit AD轉(zhuǎn)換接口，完全滿足系統(tǒng)電壓的轉(zhuǎn)換精度需要［5］。

同時系統(tǒng)選用了惠普公司生產(chǎn)的雙通道高速光耦合器，其具有轉(zhuǎn)換速度快（光耦合時間可達10 ns級），最大波特率可達10 Mbit/s，以此選為單片機D/A與輸出電路的電氣隔離。

2.4后級輸出設計

系統(tǒng)輸出電路分兩路輸出，如圖4所示為DA轉(zhuǎn)換電路和單路輸出電路。

圖4　系統(tǒng)單片機電路配置

系統(tǒng)選用串行輸入16 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX5541，其采用5 V單電源供電，具有轉(zhuǎn)換精度高、轉(zhuǎn)換時間短（1 μs級）、功耗低（1.5 mW）、輸出范圍為0~VREF0。采用多功能三線式接口，并且與SPI等接口標準兼容。本項目中C8051F064輸出16 bit串行數(shù)據(jù)給MAX5541，通過AD8675進行放大，利用SPI總線并通過P0.4、P0.5進行片選輸出［6］。

后級輸出選用的精密運算放大器AD8675具有超低失調(diào)（μV級）、極低電壓噪聲（nV級）、低輸入偏置電流（nA級）、低輸入失調(diào)漂移（0.6 μV/℃）、放大信號范圍寬，其帶寬可達10 MHz，可應用于熱電偶放大器、精密儀器等場合，如圖5電路，由其組成兩級放大的輸出電路，其中第一級為同相比例運放電路，其輸出電壓為uo=EE7和EE8均采用0.02%精密電阻，通過調(diào)節(jié)EE7 和EE8的大小調(diào)節(jié)輸出電壓的范圍。而后級電路放大倍數(shù)為1，主要作用為進一步改善電路的輸出電阻等特性參數(shù)，同時兩級電路均采用了零偏校準電路以進一步提高輸出精度［7］。

圖5　系統(tǒng)輸出電路單路設計

3　系統(tǒng)程序設計

系統(tǒng)按模塊化方式編程，其主要程序塊包括初始化、AD轉(zhuǎn)換、ADC校準、DA轉(zhuǎn)換等程序塊，流程圖如圖6所示［8］。

圖6　系統(tǒng)程序流程圖

3.1初始化程序

初始化程序包含了端口配置、SPI總線配置、參考電壓配置初始化等。

void Init_Device（void）

{Reset_Sources_Init（）；

Port_IO_Init（）；

SPI_Init（）；

Voltage_Reference_Init（）；

ADC_Init（）；

Oscillator_Init（）；}

3.2主程序及AD轉(zhuǎn)換程序

void Main（void）

{ UINT16 SamplingA，SamplingB；//采樣

UINT32 VolA，VolB；//輸入電壓

#ifdef _ADC_DEBUG_

UINT16 i，ADCValue［2］，MaxCnt［2］；

#endif

Init_Device（）；

SamplingA=SAMPLINGS；

SamplingB=SAMPLINGS；

VolA=0；

VolB=0；}

while（1）//*-------------通道1轉(zhuǎn)換---------*/

{SFRPAGE=ADC0_PAGE；

i

f（AD0INT）

{VolA+=ADC0；

AD0INT=0；

AD0BUSY=1；

if（--SamplingA==0）

{VolA/=SAMPLINGS；

#ifdef_ADC_DEBUG_ //ADC校準

if（! g_StartFlag）

{if（--g_Ctr1==0）

{g_Ctr1=VOL_TEST；}}

else

{for（g_i1=0；g_i1

{if（g_VOL1［g_i1］.ADC==VolA）

{g_VOL1［g_i1］.Ctr++；

break；} }

if（g_i1==g_Last1）

{g_VOL1［g_i1］.ADC=VolA；

g_VOL1［g_i1］.Ctr=1；

g_Last1++；} }

#else

CalcVol（1，VolA）；

#endif

VolA=0；

SamplingA=SAMPLINGS；} }

3.3DA轉(zhuǎn)換程序

按照DA轉(zhuǎn)換器16 bit的特點，其理論轉(zhuǎn)換精度可達1/65536，通過調(diào)整相關(guān)初始參數(shù)也可調(diào)節(jié)輸出范圍。

void DAC_Output（UINT8 Channel，UINT16 DAC）

{ SFRPAGE= SPI0_PAGE；

if（Channel == 1）

{ CS1 = 0；

SPI0DAT = DAC>>8；

while（! SPIF）；

SPIF = 0；

SPI0DAT =（UINT8）（DAC & 0x00FF）；

while（! SPIF）；

SPIF = 0；

CS1 = 1；}

Else…

4　結(jié)論

本文利用單片機（C8051F064）及高性能輸入輸出電路搭建了高精度雙通道轉(zhuǎn)換模塊，通過合理布置PCB元件及布線，通過對電路給定輸入電壓理論值從0.05 V、0.1 V、1 V～10 V變化的過程中測試12點電壓，每一點測試時間為20s，每一點觀察電壓在20 s內(nèi)的最大值和最小值并記錄，從表1滿量程穩(wěn)態(tài)精度可看出，滿量程穩(wěn)態(tài)精度均遠遠低于0.01%，故轉(zhuǎn)換精度、電壓穩(wěn)定度等參數(shù)均滿足設計要求，證明了設計電路的正確性、合理性和實用性。

表1　測試數(shù)據(jù)表

參考文獻：

［1］陳玉林.新型熱電偶溫度測量儀的研制［J］.實驗室研究與探索，2009，28（4）：31-33.

［2］孔繁軍，戴晶，潘婧.一種熱電偶測量儀表的校準方法［J］.艦船科學技術(shù)，2012，34（8）：109-111，118.

［3］楊寧，史儀凱，袁小慶.高精度、低功耗帶隙基準源及其電流源設計［J］.傳感技術(shù)學報，2014，27（1）：58-63.

［4］任殿慧，周巧娣，章雪挺.一種鉑電阻測溫電路的非線性校正方法［J］.電子器件，2010，33（5）：603-606.

［5］李楠，王舉.基于C8051F064單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.計量與測試技術(shù)，2013，40（8）：7-11.

［6］李偉，陳明，李平. Windows CE下基于SPI總線的雙機通信技術(shù)［J］.測控技術(shù)，2010，29（3）：55-58，62.

［7］唐曉茜.基于C8051F064的靜態(tài)應變儀器的設計［J］.機械制造，2009，47（536）：26-28.

［8］吳來杰，嚴雋薇，劉敏.基于數(shù)值計算的熱電偶測溫［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009，15（5）：94-95.

王志偉（1974-），男，漢族，江蘇無錫人，就職于江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院電氣工程系，碩士，副教授/高級工程師，教師，主要研究方向為單片機系統(tǒng)的研究與開發(fā)，wangzhiwei2589@163.com；

陸錦軍（1962-），男，江蘇南通人，就職于江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院，博士，教授/博導，副院長，主要研究方向為自動控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)。

Grouped-Subcarrier Precoder with Adjustable Complexity for Multi-User MIMO-OFDM Systems in Time-Variant Wireless Channels*

TONG Juanjuan1，SHU Feng1，2，3*，LI Jun1，LI Li1，WANG Yimeng1，GUI Linqing1，LU Jinhui1

（1.School of Electronic and Optical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.National Mobile Communications Research Laboratory，Southeast University，Nanjing 210096，China；3.Ministerial Key Laboratory of JGMT，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Abstract：In multi-user time-variant MIMO-OFDM system，the global beamformer of precoding all subchannels to?gether performs far better than the one of precoding each subcarrier individually. However，the complexity of the for?mer becomes prohibitive as the product of the number of transmit antennas at base-station and the total number of subcarriers increases up to or more than one thousand. To solve this problem，a grouped-subcarrier maximum signalto-leakage-and-noise ratio（GS-Max-SLNR）precoder with adjustable complexity is proposed. Using theoretical mod?eling and simulations it is found that the proposed GS-Max-SLNR precoder can strike a good balance between com?plexity and performance by choosing a proper value of group number. It is noted that the idea of grouping can be easily extended to other classic precoders like block diagonalization，and minimum mean square error. Additionally，we also derive a simple formula for inter-group interference to help choose the proper number of groups given Doppler spread and signal-to-noise ratio.

Key words：MIMO；OFDM；Max-SLNR；grouped-subcarrier；linear precoder

doi：EEACC：2160B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.009

收稿日期：項目來源：江蘇省科技廳前瞻性產(chǎn)學研研究專項基金項目（BY2013016）2015-04-12修改日期：2015-05-11

中圖分類號：TP216

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0036-05