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智能測量?jì)x器作為信息獲取工具，是一種集多個(gè)門(mén)類(lèi)、多種學(xué)科技術(shù)于一體的復雜有機體。隨著(zhù)測試技術(shù)、計算機技術(shù)和大規模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，現代智能測量?jì)x器不但對功能、性能、精度和指標的要求越來(lái)越高，而且對系統可靠性、可維修性的要求也越來(lái)越高。因此，這就要求測量?jì)x器具有完備的內建測試(build intest，BIT)功能以及自我調節和補償能力，以使測量?jì)x器系統本身具備測試、診斷和故障定位的能力以及適應各種環(huán)境、溫度和器部件性能變化的能力。 但是，智能測量?jì)x器要具備這些測試、診斷以及調節、補償能力，必須首先對整個(gè)測量?jì)x器工作狀態(tài)進(jìn)行監測，然后通過(guò)對這些節點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行分析和處理，從而進(jìn)行進(jìn)一步的故障定位或調節補償。這些狀態(tài)主要包括環(huán)境溫度以及電路板上各關(guān)鍵電路節點(diǎn)的電壓、電流、功率等，由于都是模擬量，故常稱(chēng)這些分布在電路板上的觀(guān)測節點(diǎn)為模擬節點(diǎn)�？梢�(jiàn)，對智能測量?jì)x器工作環(huán)境以及各關(guān)鍵節點(diǎn)模擬量的檢測是智能測量?jì)x器內建測試以及調節補償的前提和基礎，也是智能測量?jì)x器可測性設計的重要一環(huán)，需要認真對待。 下面介紹一種基于串行總線(xiàn)的智能測量?jì)x器模擬節點(diǎn)信號監測電路的沒(méi)計思想和設計方法。 1 模擬節點(diǎn)信號監測設計原理 典型的電路板模擬節點(diǎn)監測電路通常由信號檢測通道、信號調理電路、多路選擇開(kāi)關(guān)、采樣／保持電路、A／D轉換電路以及處理器接口和控制邏輯等構成，如圖1所示。 信號檢測通道主要用來(lái)探測電路板上各探測點(diǎn)的溫度、電流、電壓等模擬量，通常針對不同探測對象而使用不同的傳感器、檢波器或相關(guān)電路將待檢測信號轉換成一定的電流或電壓信號。 信號調理電路是為了保證A／D轉換的精度而在模擬輸入信號進(jìn)入A／D轉換器之前首先進(jìn)行的必要處理，以有效濾除不需要信號的影響，改善信號質(zhì)量，提高信噪比，增強信號的抗下擾能力，保證輸入信號符合A／D轉換器并處于其最佳轉換范同。信號調理所采用的技術(shù)通常包括增謐放大、衰減、濾波、整流、檢波信號轉換等。多路開(kāi)關(guān)是為了簡(jiǎn)化電路和降低成本而保證多個(gè)模擬節點(diǎn)共用同一個(gè)A／D轉換器而設計，以方便通過(guò)軟件實(shí)現對某一路模擬艟的轉換。多路開(kāi)關(guān)常用的有機械觸點(diǎn)式和電子式2種，通常需要根據通道數目、輸入方式(單端還是差分輸入)、電平高低、切換時(shí)間及穩定時(shí)間、通路問(wèn)所允許的最大串繞誤差以及控制方式等加以綜合考慮選擇。 當模擬節點(diǎn)輸入信號的頻率較高時(shí)，為減小A／D轉換的孔徑誤差常設計使用采樣／保持電路。采樣保持器通常根據輸入信號范圍、輸入信號變化率、采樣開(kāi)關(guān)切換速度以及采樣誤差的允許范圍等選擇。如果輸入模擬信號頻率較低，A／D轉換相對足夠快或A／D集成了采樣保持器時(shí)則可以省略采樣保持器的設計。 A／D轉換器足模擬輸入通道的關(guān)鍵器件，用來(lái)將模擬信號轉換成數字信號，以便由處理器進(jìn)行一系列的后續處理。A／D轉換器件種類(lèi)很多，選擇時(shí)需綜合考慮分辨力、轉換精度、轉換速度和功耗等指標。一般地，A／D轉換器位數選取應根據被測電路的模擬輸入信號的變化范圍和A／D轉換器量化誤差及量化噪聲等綜合考慮。 2 基于串行總線(xiàn)的模擬節點(diǎn)信號監測設計 現代測量?jì)x器智能化程度和性能指標越來(lái)越高，越來(lái)越多地使用軟件進(jìn)行性能指標的調節、校準和補償，同時(shí)越來(lái)越多地需要實(shí)時(shí)監測整個(gè)儀器的工作狀態(tài)，以提高系統的町靠性，故對模擬節點(diǎn)數量需求越來(lái)越大。此外，現代智能測量?jì)x器正迅速向低功耗、低成本、小體積、高性能、高速率方向發(fā)展，電路集成度越來(lái)越大，成本越來(lái)越低，尺寸越來(lái)越小，頻率也越來(lái)越高。作為測量?jì)x器的輔助支撐電路，如何在滿(mǎn)足功能和性能的前提下盡可能減少電路板面積占用、減小對其他電路的電磁干擾等影響，一直是設計者不斷追求的目標�？梢�(jiàn)，基于并行總線(xiàn)的傳統模擬節點(diǎn)信號監測設計思想已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要。 隨著(zhù)串行總線(xiàn)接口技術(shù)的誕生和不斷成熟，其簡(jiǎn)單的接口、較高的數據傳輸效率、靈活的互聯(lián)方式以及其可擴展性能力使得在電子領(lǐng)域及測試領(lǐng)域得到迅速推廣和應用。與并行接口相比，串行接口減少了引腳數目，降低了接口沒(méi)計的復雜性，減小了電磁輻射和體積。 串行接口通常提供全雙工同步操作，數據以位為單位進(jìn)行串行輸入輸出。各元器件生產(chǎn)廠(chǎng)家紛紛推出了基于串行總線(xiàn)的器件，越來(lái)越多的處理器也開(kāi)始集成相應的串行通信接口，并兼容一些流行的串行總線(xiàn)。因此，在精度、速度、分辯力等指標許可的前提下，選擇多通道以及具有采樣保持器串行ADC以及其他串行器件搭建基于串行總線(xiàn)的測量?jì)x器模擬節點(diǎn)方案無(wú)疑是一種理想的選擇�；谶@種串行總線(xiàn)的模擬節點(diǎn)電路設計如圖2所示。 在智能測量?jì)x器中，模擬節點(diǎn)通常分布于儀器的各個(gè)電路板和功能模塊，而每塊電路板和功能模塊又可能包括多個(gè)模擬探測節點(diǎn)。 為此，在設計中往往根據模擬節點(diǎn)的數量選擇使用一片或多片多通道串行A／D芯片(如AD公司的AD7812等)構成每塊電路板或功能模塊的模擬輸入通道，而不同電路板或功能模塊上的串行設備均掛接在同一串行總線(xiàn)上，由處理器通過(guò)控制總線(xiàn)及譯碼邏輯來(lái)選擇相應的模擬輸入通道并控制相應串行設備的工作。此外，在具體的設計中，往往還可以利用串行總線(xiàn)進(jìn)行一些輔助電路設計：如利用一些串行D／A轉換器構成模擬輸出通道，以根據需要產(chǎn)生合適的模擬信號，實(shí)現對電路板相關(guān)電路的校準與補償；設計掛接一些串行E2PROM存儲器，用來(lái)存儲相關(guān)通道的校準與補償參數，等等。如圖3所示。 3 基于串行總線(xiàn)的模擬節點(diǎn)信號監測設計要點(diǎn) 3．1 串行總線(xiàn)連接 目前，世界各主要半導體制造商提交了多種不同的串行協(xié)議，比較典型的有以Motorola公司為代表的SPI(se-rial peripheral Interface：串行外圍設備接口)、以Philips公司為代表的I2C(Inter IC)以及國家半導體公司為代表的MICROWIRE總線(xiàn)(微總線(xiàn))等。其中，SPI是一種高速4線(xiàn)同步串行外設接口總線(xiàn)，1條用于串行移位時(shí)鐘SCK，1條用作從使能信號(SS)，另外2條數據線(xiàn)分別用于數據的收發(fā)(MISO和MOSI)，采取主從式通信方式、全雙工傳輸。傳輸速率由主控設備編程決定，可選擇移位率、主從模式以及時(shí)鐘的極性和相位等；I2C總線(xiàn)是一種用雙向2線(xiàn)串行總線(xiàn)，1條串行數據線(xiàn)(SDA)和1條串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)，采用主從方式的同步通信方式，在通信過(guò)程通過(guò)地址確定通信對象，每個(gè)I2C器件都有一個(gè)唯一的地址，每個(gè)器件既可發(fā)送也可接收，是1種多主總線(xiàn)；MI-CROWIRE總線(xiàn)是一種3線(xiàn)同步串行接口總線(xiàn)，1條時(shí)鐘線(xiàn)(SK)和2條數據收發(fā)線(xiàn)(SO和SI)。 串行總線(xiàn)引腳較少，連接非常簡(jiǎn)單�？谇�，很多處理器都直接集成了前述的串行總線(xiàn)接口，可以直接與相應接口的串行設備相連。而在一些高端處理器巾，更是提供了更加靈活的可編程串行接口，如Motorola公州高端DSP處理器大都集成了可編程SSI串行同步通信接口，而TI公司的高端DSP處理器大都集成了可編程McBSP多通道緩沖串行接口，這接口不但具有與標準串行接口相同的基本功能，還可配置成通用輸入輸出(GPIO)接口，因此可以方便地與SPI、I2C和MICROWIRE等兼容設備直接連接。 以McBSP多通道緩沖串行接口為例：通過(guò)配置McB-SP的工作模式，McBSP可兼容SPI、MICROWIRE等協(xié)議通信。當McBSP被配置為時(shí)鐘停止模式時(shí)，可兼容SPI和MICROWIRE總線(xiàn)協(xié)議，此時(shí)發(fā)送器和接收器在內部是同步的，故可將McBSP作為SPI主設備或從設備。當設置McBSP為主設備時(shí)，可將發(fā)送數據幀時(shí)鐘(FSX)用作SPI從設備使能信號(即SS)，而將發(fā)送數據位時(shí)鐘(CLKX)用作SPI協(xié)議中串行時(shí)鐘信號(SCK，MI-CROWIRE沒(méi)備的SK)。當連接I2C設備時(shí)，可將McBSP配置成GPIO模式，將McBSP的CLKX和FSX與I2C總線(xiàn)設備的SCL和SDA相連，利用軟件模擬I2C總線(xiàn)協(xié)議。McBSP為主沒(méi)備時(shí)，幾種通信模式下的典型連接關(guān)系如圖4所示。 在智能測量?jì)x器中，通常選擇處理器為主設備，而將各串行器件作為從設備，因此大都采取上述連接方式。針對不同的處理器，其連接方式略有不同。而對沒(méi)有提供相應串行通信接口的處理器，也可以按照串行設備的工作時(shí)序來(lái)通過(guò)GPIO接口編程或利用可編程邏輯器件進(jìn)行模擬實(shí)現。 3．2 通道擴展與多片連接 現代智能測量?jì)x器電路板模擬節點(diǎn)數量很多，而且往往還需要利用串行總線(xiàn)構建模擬輸出通道和存儲系統，這就需要在同一套串行總線(xiàn)上設計掛接多片乃至多種不同型號、不同總線(xiàn)形式的串行器件。如圖5所示。 不同串行設備的工作時(shí)序不盡相同，為保證處理器與串行設備之間的通信需要對串行總線(xiàn)通道進(jìn)行必要的初始化設置。這些設置主要包括設備的主從模式(通常設置處理器為主設備)、移位率、時(shí)鐘極性和相位等屬性對利用GPIO接口編程模擬串行總線(xiàn)的應用，還需要根據串行器件的時(shí)序特點(diǎn)編程設置相應的輸出／輸出管腳和工作時(shí)序。 串行ADC通常通過(guò)其內置控制寄存器以控制字的方式來(lái)實(shí)現一系列的控制操作，如采樣模式、參考選擇、通道選擇以及A／D轉換等。針對擬選擇的模擬節點(diǎn)，通過(guò)軟件控制相關(guān)電路完成信號調理后，對鎖存器相應位進(jìn)行操作來(lái)選擇相應的串行ADC工作，利用串行總線(xiàn)向串行ADC寫(xiě)入控制字來(lái)啟動(dòng)對指定模擬節點(diǎn)信號的轉換操作(如果支持軟件啟動(dòng))。 處理器通過(guò)串行總線(xiàn)接口讀取轉換數據，進(jìn)行必要的運算和處理后獲得模擬節點(diǎn)監測信號的真實(shí)結果，從而進(jìn)行相應的操作和處理。 在具體的編程中，串行總線(xiàn)應根據串行ADC的具體總線(xiàn)接口形式和時(shí)序特點(diǎn)進(jìn)行設置，這一點(diǎn)務(wù)必注意，以免無(wú)法建立通信連接。不同串行ADC的讀寫(xiě)時(shí)序不盡相同，編程時(shí)需要格外注意。此外，通過(guò)串行總線(xiàn)進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，需要根據讀寫(xiě)數據的位數保證足夠的時(shí)鐘個(gè)數，以免無(wú)法正常讀寫(xiě)。 對于掛接在總線(xiàn)的其它設備的控制操作，可根據具體設備的特點(diǎn)，參考類(lèi)似的方式予以編程實(shí)現。 4 結束語(yǔ) 基于串行總線(xiàn)的模擬節點(diǎn)設計方案不但實(shí)現簡(jiǎn)單，成本低廉，而且還具有電磁輻射小、體積小、可擴展能力強等優(yōu)點(diǎn)，可以方便、靈活地根據實(shí)際電路的需求進(jìn)行通道擴展�；谶@種設計思想的軟硬件方案已經(jīng)在筆者所從事的系統中已經(jīng)得到廣泛應用，并取得了令人滿(mǎn)意的效果。 |
