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基于PSoC的矿用传感器模拟电路设计

2020-02-13 22:10工业电子 人已围观

简介现在物理世界充满各种各样的信号 , 而应用多样信号处理方法的前提则是对有效信号的采集。自然界的信号基本上都是模拟量,经由传感器将其变为可以为电子电路处理的电信号,在这...

  现在物理世界充满各种各样的信号 , 而应用多样信号处理方法的前提则是对有效信号的采集。自然界的信号基本上都是模拟量,经由传感器将其变为可以为电子电路处理的电信号,在这一过程中所生成的电信号也为模拟量,在此基础上,后续电路才算是真正的开始信号分析处理。在各种实验研究中,自然界各种信号的形式、大小、所处环境千差万别, 所用传感器种类也多种多样。但是传感器输出信号类型却基本一致,或者电压信号或者电流信号;为了给电路分析处理部分提供信号,本文设计的一款基于 PSoC3 的传感器模拟电路,可以输出 0-5V 电压、频率脉冲信号和 4-20mA 电流环信号。
  
  1 电路总体框架
  
  该系统整体框图如下图 1 所示。该系统由三部分电路组成的,第一部分是信号产生部分:该部分由一块基于 PSoC 的最小系统电路组成,该模块可以根据需要进行编程灵活地产生各种数字信号,输出幅值可从 0-3.3V 和 0-5V 两种选择 ,包括频率可调的脉冲信号,还可以产生最多四路的八位 DAC 模拟信号。第二部分是高精度数模转换电路,由 16 位的DAC8534 芯片为主要部件,将数字信号转换成模拟信号。第三部分为电流环电路,该电路选取了应用广泛的XTR111 两路电流环芯片,可将 0-5V 电压的输入线性的变换成 4-20mA 电流。
  图1 系统整体框图
  图1 系统整体框图
  
  PSoC 最小系统板工作时需要给其提供 5V 直流电源,它可以直接产生输出信号,当需要高精度模拟信号时它将数字信号传送至 DAC8534 模块,此时 DAC8534 模块可产生 16 位精度的模拟信号;当模拟电流环传感器时需要将 PSoC 或DAC8534 产生的信号送至 XTR111 模块,它可将 0-5V 的输入电压线性的变换成 4-20mA 电流。
  
  2 各单元电路
  
  2.1 PSoC 最小系统板
  
  PSoC 系统板可独立产生数字信号、一定精度的模拟电路, 并可分别结合 DAC8534 和 XTR111 模块工作。
  图2 PSoC 最小系统板
  图2 PSoC 最小系统板
  
  图 2 是基于 CY8C3866AXI-040 芯片所设计的一款 PSoC3 最小系统板,由 5V 直流供电。CY8C3866 是真正的可编程嵌入式片上系统芯片,它的微控制器采用的是应用广泛的是8051 内核,工作频率最高可达 67MHz,并且在单芯片中集成
  
  了多种常用的外围设备 ,模拟外设主要有 12 至 20 位分辨率的可配置 Delta-Sigma ADC,四个 8 位 8Msps IDAC,四个响应时间为 75ns 的电压比较器和对 CapSense 组件支持,数字外设主要 4 个 16 位可配置定时器、计数器和 PWM 模块, Full CAN 2.0, Full USB 2.0, 24 个基于 PLD 的可编程通用数字模块等。此外该PSoC 最小系统板还包含电源变换、晶体振荡器、复位、JTAG 仿真调试接口等电路。电路板上设置有3 个双排插座提供输入输出引脚。除了引出 PSoC3 芯片的引脚外,还均引出了 5V、3.3V 直流电源,便于给其它电路板提供电源。在电路板上还设置了 3 个 LED 用于电源和引脚电平指示,其中 1 个电源指示 LED,2 个分别接到 P6.0 和 P6.1 引脚的电平指示 LED。
  
  在 PSoC 平台下,可以利用集成编译环境 PSoC Creator 灵活简单的对电路进行设计,它是模块原理图化和程序语言联合编程。在模块原理图中只需要把相应的模块拖到工作区, 按信号传输方向将各模块连接,并配置其属性参数为需要的数值即可。在程序编程界面,直接调用相应模块的启动函数即可,此外还可以通过函数重新配置模块中的属性值,设置模块中断和触发条件。
  
  2.2 DAC8534 模数转换模块
  
  PSoC 最小系统板单独工作时可最多输出四路 8 位 VDAC 信号,可以满足一般需求。但是如果需要更高精度的模拟信号,则需要后序 DAC8534 进行配合 。PSoC 与 DAC8534 模块通过SPI 协议进行数据传输。在PSoC Creator 编译环境中, 可以方便地向DAC8534 模块进行数据输入。其中PSoC 的编程原理图界面及实物图如图 3 所示:
  图3 PSoC 编程原理图界面及实物图
  图3 PSoC 编程原理图界面及实物图
  
  图 3(a) 是 PSoC 编程原理图界面 DAC8534 电路 , 图3(b) 是 DAC8534 模块实物图。DAC8534 芯片是一款四通道16 位的数模转换器,可单独控制每通道的工作模式,包括工作模式和掉电模式,在掉电模式下每个通道的电流可降至200nA。在 2.7V-5.5V 范围的供电电压下,其通道输出信号可实现轨到轨。该模块有三线输入信号,分别是数据输入信号Din,时钟同步信号 SCLK 和同步帧信号 Sync;可实现四路四路输出,分别是A,B,C,D。在数据输入的逻辑高电位是 5V 时该芯片可达 30MHz 的转换速率。
  图 4 DAC8534 寄存器数据输入格式
  图 4 DAC8534 寄存器数据输入格式
  
  图 4 是 DAC8534 寄存器的数据输入格式。在向 DAC8534 模块中输入数据时,每次需要输入 24 位,其中高八位为控制位,低 16 位为数据位。其输入时序图和其中一路输出的三角波如图 5 所示:
  图5 输入时序图和其中一路输出的三角波
  图5 输入时序图和其中一路输出的三角波
  
  图 5(a) 为 DAC8534 的输入时序图,图 5(b) 为三角波输出。从时序图可以看出每次开始数据传输时,同步帧信号Sync 要先拉低,之后时钟同步信号 SCLK 开始工作,与此同时,数据开始传输。使输入数据从 0 开始每次增加 200,到达 65400 后再每次减 200 至 0,这样循环可使输出行程三角波如图 5(b)。
  
  2.3 XTR111 电流环模块
  图6(a)XTR111 内部等效原理图
  图6(a)XTR111 内部等效原理图
  图6(b) 八路电流环实物图
  图6(b) 八路电流环实物图
  
  电流环传输相较于电压信号传输具有较好的抗干扰性, 而且无需编解码,通信方式简单 [6-7]。XTR111 是两路电流环芯片,供电范围是 7-44V DC,在相应引脚外接三极管、场效应管和特定参数的电容电阻,可分别配置为 0-20mA,4mA- 20mA 和 5mA-25mA 电流输出。此外 XTR111 芯片在正常工作时可以提供一个 5V 直流基准电压源。其内部等效原理图及 8 路电流环 PCB 实物图如图 6 所示。
  
  该电流环可以最多同时接受 8 路电压信号,并将输入的0-5v 的电压信号线性的转换为 4-20mA 的电流环信号。
  
  3 总结
  
  本文的基于 PSoC 的矿用传感器模拟电路,由 PSoC 最小系统板、数模转换模块、电流环模块三部分组成,可输出四路 8 位或 16 位 0-3.3V 或 0-5V 模拟电压量,八路 4-20mA 电流环信号,以及 62 路开关量信号。该电路可较好的模拟大多数通用传感器输出信号,节省实验成本,提高实验质量。

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