基于ARM控制的I/F轉換電路設計

吳帥

摘要：電流/頻率（I/F）轉換電路是一種將模擬電流信號轉換為頻率脈沖信號的一種模數轉換電路，相比于基于ADC芯片的模數轉換電路具有抗干擾，系統穩定的優點，在特殊要求的模數轉換電路中具有廣泛的應用。本文根據I/F轉換電路的基本原理，設計了一種ARM控制的I/F轉換電路，電路中考慮模擬電路與數字電路的隔離，結構邏輯嚴謹，以脈沖或字符形式傳遞到下一級電路。本文設計實現1mA/800Hz的脈沖計數，并通過計數算法實現對于電流值的量化。

關鍵詞：I/F轉換電路，模數轉換，ARM

引言

電子信號根據其連續性分為模擬信號與數字信號，模擬信號是指用連續變化的物理量表示的信息，其信號的幅值、頻率、相位隨時間連續變化;與之相對，數字信號是指自變量和因變量均是離散分別的信號。實際生活中，傳感器檢測的信號大部分都是自然界中存在的模擬信號，再通過采樣、保持、量化、編碼轉換為數字信號，以供計算機進一步處理。

隨著電子技術的發展，很多物理量通過傳感器方式直接轉換為電壓信號或者電流信號，例如，熱電偶傳感器，通過“熱點效應”將溫度信息轉化為電壓信號;石英撓性加速度計，通過對敏感器件的偏移，計算與檢測電極板之間的距離，將加速度信號轉化為模擬電流信號等。本文設計了一種基于ARM控制的I/F轉換電路，將模擬電流信號通過一系列模擬數字電路，轉化為十六進制編碼表示的數字信號，實現了-20mA～+20mA范圍的模數轉換。刻度為1mA/800Hz，線性度為;

1I/F轉換電路原理

I/F轉換電路原理如圖X所示，輸入電流信號為Ia，輸出頻率信號為fout，其功能按照以下步驟實現：

1）積分器前端電流為Ic，通過積分器得到積分電壓Uc;

2）比較器將積分電壓與閾值電壓VREF2比較，比較結果Dc傳遞至ARM控制器;

3）同時通過模數轉化芯片ADC采集積分電壓Uc，得到的信息傳遞到ARM處理器;

4）ARM處理器內部根據比較輸出結果，控制模擬開關通斷，即控制恒流源的通斷;ADC傳入處理器的數據由于驗證積分比較過程，保證系統穩定;其中恒流源的輸出電流Ia

在I/F電路中，要求反饋電流If遠遠大于輸入電流，從而使得積分器清零時間足夠短。Ic輸入恒定情況下，積分器輸出端電壓逐漸變大，當大于閾值電壓時導通的恒流源輸出對積分器進行清零，同時數字端記錄脈沖信號，量化為電壓值。積分器電壓增減速率與輸入電流信號有關，且成正相關。因此輸出脈沖的頻率與輸入電流信號呈正比關系，且積分過程對整段時間進行電荷積累，能夠消除器件自身的高斯白噪聲對系統造成的影響。

2硬件系統設計

根據I/F轉換的電路原理，本文設計了一種基于ARM控制器的I/F轉換電路，應用于三軸加速度計信號的采集，整體系統包括電源電路、采集電路、I/F轉化電路、嵌入式系統四個部分。結構設計如圖X所示。

電源電路通過高精度的參考電壓芯片為核心進行設計，電路中對傳感器須提供±15V的供電電壓，選用LMxx15系列芯片;在于采集電路和I/F轉換部分，主要涉及積分器、電壓跟隨器、比較器，須提供±5V供電電壓，選用LMxx05系列芯片;對于嵌入式系統，選用STM32系列芯片，須提供3.3V供電電壓，選用CAT-330芯片。

采集電路主要對電流信號進行比例縮小，則要求的反饋電流減小，從而抑制電路的發熱問題。I/F轉換部分則對電流進行積分，應用OPA2134運算放大器，比較器輸出的信號至嵌入式系統進行判斷。在傳統的I/F轉換電路中，比較器后端輸出的信號通過D觸發器、與門進行脈沖生成，脈沖的寬度也對應反饋電流的開通時間。本文設計中考慮后端還需要進行十六進制數的輸出，選擇用ARM嵌入式處理器來實現該部分功能。

ARM嵌入式系統通過定時器開定時檢測比較器的輸出信號。當接收高電平信號時輸出并保持一段時間的輸出，實現D觸發器和與門的功能，定時器的時間同等于D觸發器受控時鐘。ARM輸出的脈沖信號控制模擬開關來實現恒流源的通斷，同時也對脈沖進行計數，模擬開關導通的上升時間不大于200μs，本文設計中實現了1mA/800Hz的脈沖計數，并根據刻度系數對輸入的電流信號進行量化。最后按照十六進制數據包格式進行輸出，實現在加速度計信號采樣應用中的模擬電流信號轉化為數字信號。

3試驗測試

對I/F轉換電路整體硬件系統進行測試，選用恒流源發生器作為輸入信號模擬傳感器的電流信號，輸出范圍為0～10mA，電路系統按照要求對輸出脈沖個數以及量化的數值進行采集。通過試驗得出，在0～10mA范圍內，I/F轉換電路的全量程線性度為1.7×10-4，滿足設計要求。

4結語

本文設計一種應用于加速度信號采集的I/F轉換模擬電路。通過ARM的設計簡化了邏輯控制電路，實現了1mA/800Hz的模數轉換刻度系數，全量程線性度為1.7×10-4，滿足系統的設計要求與模數轉換的需求。

參考文獻

[1]程遠超，黃偉，趙新強，呂成方，楊洋.基于FPGA的大比例系數高精度I/F電路設計[J].導航與控制，2018，17（02）：59-66.

[2]孟俊芳，魯浩，張彥.慣導裝置中I/F變換器靜態測試方法研究[J].航空兵器，2009（02）：18-21.