基于MAX1452的應變測試系統前端模塊的設計

摘要：根據當前飛機機載測試產(chǎn)品中分布式網(wǎng)絡(luò )化應變測試系統的要求設計了一種前端多通道的通用應變采集模塊。使用Maxim公司高度集成的單傳感器調理芯片MAX1452通過(guò)軟件實(shí)現了激勵電壓提供，電路偏置，增益調節和溫度修正等飛機應變信號測試所必需的功能。該采集模塊實(shí)際應用表明，在高精度采集下實(shí)現了各應變采集通道的完全獨立，也同時(shí)實(shí)現了其體積和功耗相當微小的特點(diǎn)，其通過(guò)測試網(wǎng)絡(luò )系統可以安裝在對空間要求比較嚴格的飛機各個(gè)部位。
關(guān)鍵詞：機載測試；網(wǎng)絡(luò )化測試；應變；采集模塊；MAX1452

在飛行試驗中，對飛機應變量進(jìn)行測試是十分普遍而且重要的，也是鑒定飛機本身的性能和安全的重要依據。隨著(zhù)飛機飛行試驗中需要測試的應變參數數量的大量增加和機載測試技術(shù)的發(fā)展，我國飛行試驗中正在采用當前國際先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )化分布式測試系統和測試設備進(jìn)行飛機試驗。飛機本身安裝設備和采集精度的要求，網(wǎng)絡(luò )化的機載測試系統所需要掛靠的前端采集模塊要求功耗和體積非常的小，可以安裝在比較靠近飛機需要測試的部位。傳統的應變采集設備一般使用的是大量的分立元器件進(jìn)行設計，各通道獨立性不強，采集電路的噪聲比較大，沒(méi)有溫度修正功能，使得采集的應變參數這類(lèi)微小信號精度不高。并且設備的體積和功耗比較大，占用了飛機內部寶貴的空間和電源功率。針對以上問(wèn)題，在新的網(wǎng)絡(luò )化分布式機載應變測試系統的中采用了Maxim公司高度集成的MAX1452傳感器調理芯片來(lái)設計了新型的前端應變采集模塊。
筆者利用MAX1452內部集成的4個(gè)高精密DAC為全橋構成式應變片的電路提供可編程的精密電壓激勵，設置偏移量及溫度修正等功能實(shí)現，比利用內部集成的PGA對電橋產(chǎn)生的微應變信號進(jìn)行程控放大。經(jīng)過(guò)MAX1452調理后的信號通過(guò)高性能的開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX7420進(jìn)行5階低通濾波，然后由SPI接口的A／D芯片進(jìn)行轉換，由FPGA對16位A／D數據進(jìn)行編碼輸入到網(wǎng)絡(luò )接口當中去。采集電路使用芯片少，封裝小，功耗低，并通過(guò)電路板的設計實(shí)現了通道供電及工作的完全獨立，當某一通道因傳感器發(fā)生故障時(shí)不影響其他通道的工作，有效降低了應變飛行課題的試驗成本。

1 系統總體設計
該應變采集模塊結構圖如圖1所示，整個(gè)系統由一塊數字板，兩塊模擬板上下連接構成，在對多通道的應變信號參數的測試過(guò)程中：當系統上電初始化過(guò)程中，模塊的數字板中的主控制器FPGA通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò )系統的加載命令，對兩塊模擬板中的每個(gè)應變通道的調理芯片MAX1452進(jìn)行軟件編程，設置激勵電壓，偏置電壓，增益，并調節M(mǎn)AX7420的時(shí)鐘信號頻率來(lái)調節濾波截止頻率；當在采集過(guò)程中，對多個(gè)通道進(jìn)行同步采集，并將采集到的應變參數進(jìn)行編碼，通過(guò)數字板上的網(wǎng)絡(luò )接口發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)控制器；同時(shí)，讀取每個(gè)應變通道中MAX1452內部集成的溫度傳感器的8位數據，判斷模塊各個(gè)通道環(huán)境溫度，并依據溫度高低通過(guò)激勵電壓和偏置電壓進(jìn)行修正，最終完成整個(gè)前端模塊的采集工作。

2 系統硬件設計
應變采集模塊系統硬件分數字電路和模擬電路組成。模擬電路由多個(gè)單獨的應變通道調理電路組成，每個(gè)通道都是一樣的，都是由激勵電壓電流增強電路，MAX1452及其外圍輔助電路，DC／DC電源變換電路，濾波及A／D采集電路組成，其硬件設計圖如圖2所示。數字電路主要包括了28 V的直流電源變換電路，FPGA及其外圍電路和網(wǎng)絡(luò )接口電路組成；限于篇幅，文中主要針對本模塊如何利用高度集成傳感器調理芯片MAX1452來(lái)處理微應變信號進(jìn)行介紹，數字電路部分下面不再詳細介紹。
2．1 MAX1452簡(jiǎn)介
MAX1452是Maxim公司生產(chǎn)的一種高度集成的模擬傳感器信號處理器，可用于優(yōu)化工業(yè)和過(guò)程控制中采用阻性元件的傳感器。MAX1452具有放大、校準和溫度補償功能，其綜合工作特性可以逼近傳感器所固有的可重復能力。其全模擬信號通道在輸出信號中不會(huì )引入量化噪聲，并利用集成的16位數模轉換器(DAC)實(shí)現數字化校準。利用16位DAC對信號的偏移量和跨度校準，賦予傳感器產(chǎn)品真正的可互換性。
MAX1452結構包含1個(gè)可編程傳感器激勵、1個(gè)16級可編程增益放大器(PGA)、1個(gè)768字節內部EEPROM、4個(gè)16位DAC、1個(gè)通用的運算放大器以及1個(gè)內嵌的溫度傳感器。除偏移量和跨度補償外，MAX1452還利用偏移量的溫度系數(TC)和跨度溫度系統(FSOTC)提供獨特的溫度補償，在提供非凡的靈活性的同時(shí)降低了檢測成本。
該芯片的性能特點(diǎn)主要是單芯片提供了一條傳感器信號的模擬放大電路，如圖2所示。它利用模擬架構實(shí)現了一階溫度響應修正。在此基礎上利用其它數字控制的模擬放大通道實(shí)現了非線(xiàn)性溫度響應修正。校準和修正都是通過(guò)改變偏移量和可編程增益放大器(PGA)上的增益以及傳感器電橋上的激勵電壓和激勵電流來(lái)實(shí)現的。PGA具有從39 V／V至236 V／V之間16級放大增益。它使用了4個(gè)16位DAC，并由用戶(hù)將校準系數存放于其內部768x8EEPROM中。這些內存都是以16位字的形式存放的，包括了配置寄存器、偏移量校準系數表、偏移量溫度系數寄存器、跨度(FSO)校準表、跨度溫度誤差修正系數寄存器等內容，使得硬件電路的設計更加方便可靠。