傳感器自動修調系統設計

肖 峰，張 彬，劉澤棟，孫曦東

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引言

隨著市場對傳感器電路性能的要求日益增高，傳感器本身的設計與制造面臨著越來越嚴峻的考驗。為了彌補電路設計期望與芯片最終性能之間的差距，近年來，針對大規模集成電路的修調技術不斷得到發展[1]，尤其是隨著工藝制造技術的進步和電子產品的快速更新換代，應用的系統越來越復雜，越來越多的傳感器在消費性電子、醫療設備和工業控制等領域都不可或缺[2]，這也提高了調修技術的實現難度。快速完成傳感器的修調工作，使其滿足在不同場合的性能要求就十分重要[3]。為此，設計一款傳感器自動修調系統設計。嘗試在現有技術發展條件下進一步盡可能地提高針對傳感器電路芯片的修調效果。

2 系統總體設計

系統從傳感器采集的參數以及傳感器自身的待修調參數入手，進行全面的分析，得出最優的設計方案。傳感器不僅采集溫度信號，還采集電壓信號，這就需要系統能提供標準的溫度環境和較高精度的電壓信號。傳感器除了需要修調自身的溫度和電壓參數外，內部基準電壓也需要進行校準，這就需要系統能正確采集這個基準電壓并完成校準工作。為了提高修調效率，采用尋址的方式（傳感器支持8個不同的物理地址連接方式），同時對8個傳感器進行修調操作。按此思路設計出系統的總體原理框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

圖中，通訊控制板主要由主控模塊、DAC模塊、ADC模塊、電源模塊、隔離模塊和接口構成。主控模塊通過通訊接口接收來自上位機的通訊命令，并對上位機的命令進行解析，然后根據命令要求控制ADC模塊、DAC模塊和電源模塊2，或者通過隔離模塊操作待修調傳感器。外部供電接口提供通訊控制板的供電，電源模塊1給主控模塊、ADC模塊、DAC模塊、隔離模塊A側供電；電源模塊2給隔離模塊B側，即待修調傳感器供電。電源模塊2受主控模塊控制，可以給隔離模塊B側輸出兩種不同規格的供電電壓，方便傳感器的修調和熔絲[4]。

修調電路板主要由待修調傳感器及其外圍電路和接口構成。整個電路板放到一個恒溫環境中，對應圖1中的虛線框部分，比如恒溫箱或油槽，目的是給傳感器提供一個穩定的工作環境，便于后續的修調工作。通過接口1傳感器輸出基準電壓到通訊控制板；接口2則是傳感器接收來自通訊控制板的電壓信號。串行接口用來為傳感器接收來自通訊控制板的控制信號并反饋數據給通訊控制板。

在上位機可以實現修調系統的參數配置和讀、寫操作，以及對反饋數據的計算、記錄和存儲，實現修調系統的閉環操作，最終完成一鍵修調工作。

3 硬件設計

單片機部分選用STM32F1系列的MCU，電路圖如圖2所示[5]。此款產品包括ISP程序下載接口X4，使用了MCU串口1的硬件資源。復位電路由按鍵S5及電阻R27、電容C21組成。下載使能由跳線W1及電阻R28和R29組成，以USB1作為與上位機的通訊接口。USB轉UART的設計采用CH340G電路來實現。

圖2 單片機電路原理圖

DAC模塊采用TI公司的16位電壓輸出模數轉換器DAC8568[6]。它的積分非線性INL為4LSB；偏移誤差最大值為±4mV；偏移誤差漂移典型值為±0.5μV/℃。電路的串行接口與標準SPI接口兼容，有8個輸出通道，包含一個2.5V、2×10-6/℃的內部基準電壓，初始精度為0.004%。為了保證輸出電壓的穩定性，后端連接了低噪聲、軌到軌的精密運放AD8656，它的低偏移電壓最大值為250μV，低偏移誤差漂移典型值為0.4μV/℃。

ADC模塊采用ADI公司的16位無失碼的SAR型數模轉換器AD7689[7]，積分非線性INL為4LSB，電路采用標準SPI接口，可選擇單極性單端輸入、差分輸入或偽雙極性輸入，支持最多8個通道的輸入，內部可選2.5V或4.096V基準源。為了保證采集的準確性，輸入給AD7689的電壓信號前端連接了低噪聲、軌到軌的精密運放AD8656，其低偏移電壓最大值為250μV，低偏移誤差漂移典型值為0.4μV/℃。設計選用了AD7689的內部基準源，鑒于傳感器在常溫下修調，內部基準源的精度能滿足要求。在實際應用時，用臺式萬用表對AD的輸出進行了校準，相應地在軟件算法中也做了補償。

4 軟件設計

下位機軟件采用C語言編寫，開發工具選用Keil_V5.23版本，運行于以STM32F103為核心的硬件平臺上。下位機軟件設計由系統初始化、串口通訊、數據采集、參數處理等部分組成。系統初始化主要包括I/O口初始化、ADC初始化、DAC初始化和串口初始化等；串口通訊部分主要完成與上位機通訊協議包的解包與組包；數據采集部分主要完成對溫度和電壓數據的采集與處理；參數處理主要完成電路修調參數的修調與熔絲操作。

傳感器基準電壓修調流程如圖3所示。電路的工作條件為25℃下供電3.3V。

上位機執行基準電壓開始修調，通過通訊接口給通訊控制板發送讀基準電壓命令，由通訊控制板的主控模塊解析命令，然后通過隔離模塊和串行接口操作待修調傳感器輸出基準電壓。

傳感器的基準電壓通過接口1輸出給通訊控制板的ADC模塊，主控模塊操作ADC模塊讀取基準電壓后組協議包，通過通訊接口反饋給上位機。

圖3 傳感器基準電壓修調流程圖

上位機解析命令，計算讀取值與標準值的差值，判斷差值是否在誤差范圍內，如果差值在誤差范圍內，主控模塊操作電源模塊2輸出熔絲所需規格電壓，執行熔絲操作，結束基準電壓修調工作；如果差值不在誤差范圍內，上位機會根據差值情況計算修調碼，并通過通訊接口給通訊控制板發送寫修調碼命令，通訊控制板的主控模塊解析命令，通過隔離模塊和串行接口操作待修調傳感器寫入修調碼，接著再讀取寫入修調碼后的基準電壓，循環執行上述步驟，直到差值落在誤差范圍內。

最后主控模塊操作電源模塊2輸出熔絲所需規格電壓，執行熔絲操作，至此，結束基準電壓修調工作。修調過程的數據都會自動記錄和存儲，供用戶調出分析之用。通過編程，以上修調工作實現一鍵操作，完成閉環修調。

傳感器其他參數的修調原理與上述過程類似，不同之處在于，修調溫度的標準值由恒溫箱或油槽提供，修調電壓的標準值則由16位DAC模塊提供。

上位機軟件采用VB編寫[8]，運行于Windows操作系統。修調軟件與實際硬件環境配合，最多可以實現8個電路同時修調熔絲工作，大大提高了修調效率。修調系統支持一鍵閉環操作，既能保證快速修調，又能減少人為操作引入的誤差。軟件可以根據電路的實際需求設置不同的標準值，還可以選擇單次數據采集和自動數據采集。上位機軟件操作界面如圖6所示。上位機軟件數據顯示界面如圖7所示。

圖6 上位機軟件操作界面

圖7 上位機軟件數據顯示界面

5 結束語

傳感器電路修調技術的廣泛應用在相當程度上迎合了市場對高精度傳感器電路的大量需求。在快速高效完成修調工作的需求之下，根據傳感器電路性能指標要求的不同，充分考慮設計、工藝和測試復雜程度，從系統、硬件、軟件三方面做了論述。經調試，所設計的傳感器自動修調系統不僅能精確地對單個電路進行修調熔絲，還能夠滿足市場對多個電路同時進行修調熔絲的需求，提升了效率，具有廣闊的應用前景。