多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片架构

文档序号:1834371 发布日期:2021-11-12 浏览:32次 >En<

阅读说明:本技术 多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片架构 (Control drive chip architecture for multi-channel gyromagnetic filter ) 是由 王津丰 张平川 荣建海 于 2021-10-18 设计创作,主要内容包括:本发明公开了一种多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片架构,用于控制驱动多通道旋磁滤波器,包括电压转换芯片、电压基准芯片、微控制器、模数转换单元、数模转换单元、通信接口单元、电源管理和转换单元;本发明采用Soc单片集成,所述通信接口单元用于输入含有多通道旋磁滤波器的通道控制信息的数字控制信号,由微控制器处理后控制数模转换单元工作,所述数模转换用于输出与n个通道对应的模拟驱动信号,模数转换单元与微处理器一起具有判断本发明是否正常工作的功能。发明产品满足旋磁滤波器多通道产品驱动的多路、高精度、高温度稳定性需求,与现有技术的数字控制驱动单元相比,体积缩小到四分之一,实现了多路、多通道旋磁滤波器组件的小型化。(The invention discloses a control driving chip architecture for a multi-channel gyromagnetic filter, which is used for controlling and driving the multi-channel gyromagnetic filter and comprises a voltage conversion chip, a voltage reference chip, a microcontroller, an analog-to-digital conversion unit, a digital-to-analog conversion unit, a communication interface unit and a power management and conversion unit; the invention adopts Soc monolithic integration, the communication interface unit is used for inputting a digital control signal containing channel control information of the multi-channel gyromagnetic filter, the digital control signal is processed by the microcontroller to control the digital-to-analog conversion unit to work, the digital-to-analog conversion unit is used for outputting analog driving signals corresponding to n channels, and the analog-to-digital conversion unit and the microprocessor have the function of judging whether the invention works normally. The product meets the requirements of multi-path, high precision and high temperature stability of the multi-channel product drive of the gyromagnetic filter, and compared with a digital control drive unit in the prior art, the volume of the product is reduced to one fourth, so that the miniaturization of multi-path and multi-channel gyromagnetic filter components is realized.)

多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片架构

技术领域

本发明涉及一种芯片构架,尤其涉及一种多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片架构。

背景技术

随着电子技术发展,电子设备的小型化、多通道是重要的发展方向之一,对配置在电子设备中的旋磁滤波器产品的小型化、多通道提出了更多、更高的要求。旋磁滤波器产品为电流型驱动器件,其主要包含旋磁滤波器器件、控制及驱动数字单元、驱动恒流单元三个部分,参见说明书附图的图1。

而多通道的旋磁滤波器产品均为数控型,其中微控制器、存储器及接口电路、多个数模转换电路、多个缓冲放大电路组成控制及驱动数字单元;电压放大电路、电压电流转换电路组成驱动恒流单元。

控制及驱动数字单元、驱动恒流单元的工作原理为:将外部数字控制信号、经控制及驱动数字单元、驱动恒流单元转换为电流信号,输入到旋磁滤波器,激励旋磁滤波器激发通带响应。外部数字控制信号包括:UART串口信号、SPI串口信号、RS422串口信号、RS232串口信号、CAN信号、并口信号等。例如:此时外部数字控制信号为外部控制的RS422串口信号,控制及驱动数字单元和驱动恒流单元构成一电路整体,RS422串口信号用于控制该电路整体的工作电流,输入到多通道的旋磁滤波器中,为所述旋磁滤波器提供稳定可控电磁场,激励旋磁滤波器内谐振子谐振,激发通道响应,实现射频信号链路的选通。

为了解决旋磁滤波器产品小型化问题,需要从控制及驱动数字单元、驱动恒流单元这两个单元入手,但驱动恒流单元由于功耗较大,小型化设计受到其散热能力影响,过度的小型化会降低其可靠性,所以旋磁滤波器控制及驱动的小型化主要从功耗小的控制及驱动的数字单元的方向进行,“控制及驱动数字单元”的集成化已成为了旋磁滤波器产品小型化的重要发展方向。

目前市场中现有的微控制器虽然集成了存储器及DAC,但其数模转换的有效分辨率、通道数、积分非线性指标不能满足旋磁滤波器的驱动高精度需求。因此,目前“控制及驱动数字单元”采用的是独立芯片设计方法,即微控制器、存储器、接口电路、数模转换、缓冲放大独立使用,需要驱动多少通道的旋磁滤波器,就需要多少个数模转换电路,参见说明书附图的图2。

随着旋磁滤波器的通道数越多,需要的存储器的存储量越大,数模转换电路、缓冲放大电路越多,电路数量的增加导致其控制及驱动数字单元体积越大。技术上无法进行突破式小型化设计。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题,应用于多通道旋磁滤波器的数字控制驱动单元,实现多路、多通道旋磁滤波器的数字控制驱动单元的小型化,最终实现多路、多通道旋磁滤波器组件的小型化的,多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片架构。

为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是这样的:一种多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片架构,用于控制驱动包含n个通道的多通道旋磁滤波器,包括电压转换芯片、电压基准芯片、微控制器和通信接口单元,所述电压转换芯片用于对微控制器提供工作电压,所述微控制器包括互联总线、AHB总线、APB总线,所述n为正整数;

所述微控制器经AHB总线连接一Flash;

所述微控制器经互联总线桥接APB总线,所述APB总线连接通信接口单元,且APB总线还连接有模数转换单元、数模转换单元、以及为上述各用电单元供电的电源管理和转换单元;

所述通信接口单元包括CAN通信接口、I2C通信接口、SPI通信接口和UART通信接口和GPIO接口,所有接口均接通APB总线,用于输入数字控制信号,所述数字控制信号含有多通道旋磁滤波器的通道控制信息;

所述数模转换单元包括DAC控制单元,所述DAC控制单元输入端连接APB总线,输出端连接n个与多通道旋磁滤波器的n个通道一一对应的支路,每个支路包括一16位DAC和一缓冲运算放大器,所述16位DAC的输入端接DAC控制单元,输出端接缓冲运算放大器,用于输出一路模拟驱动信号,所述DAC控制单元用于控制n路的选通,且每个支路中的16位DAC和缓冲运算放大器,由电源管理和转换单元独立供电,所述电压基准芯片连接每个16位DAC,用于对16位DAC提供电压基准;

所述模数转换单元包括一个16通道ADC,每个通道的输出端经ADC控制单元接APB总线,其中1通道的输入端连接一温度传感器,用于将温度传感器的模拟温度信号转换为数字温度信号,其余通道用于连接电压转换芯片和/或电压基准芯片,从二者中获取数个模拟电压监控信号,转换为数字电压监控信号,所述ADC控制单元用于控制16通道ADC中通道的选通及温度传感器的数据采集;

所述微控制器用于接收数字控制信号,从数字控制信号中获取及处理通道控制信息,并根据通道控制信息控制DAC控制单元的选通,再将通道控制信息送入与通道对应的支路中,由支路转化为模拟驱动信号输出;

所述微控制器还用于接收数字温度信号和数字电压监控信号,所述微控制器内预存电压转换芯片和/或电压基准芯片正常工作的工作电压信号,并用于将数字电压监控信号和对应工作电压信号进行对比,判断电压转换芯片和/或电压基准芯片工作状态;

所述微控制器、通信接口单元、数模转换单元、模数转换单元、温度传感器、和电源管理和转换单元集成于SoC芯片中。

作为优选:n个支路中,其中一支路的缓冲运算放大器经主通道电流采样电路,接多通道旋磁滤波器的主通道中电磁场线包的输入端,其余支路的缓冲运算放大器分别经一副通道电流采样电路,接多通道旋磁滤波器的副通道中电磁场线包的输入端;

所述主通道电流采样电路包括采样电路和电流放大电路,用于将模拟驱动信号采样为电流信号、并进行正电流放大,形成主通道工作电流,所述主通道工作电流用于激发主通道频率响应;

所述副通道电流采样电路包括采样电路和正负电流放大电路,用于将模拟驱动信号采样为电流信号、并进行正负电流放大,形成副通道工作电流,所述副通道工作电流用于修正副通道频率响应。

作为优选:所述电源管理和转换单元还包括上电复位电路、所述微控制器还包括与其APB总线连接的片上振荡器及锁相环、计时器、和看门狗。

作为优选:所述微控制器为32位的Cortex-M3控制器。

作为优选:所述微控制器还经AHB总线连接一SRAM。

本发明中,微控制器:MCU,为32位微控制器;

Flash:闪存,是一种非易失性内存,存储程序与数据,其容量为128KB,支持读取、支持块擦除、支持整片擦除;

温度传感器:选用数字温度传感器,可以按照环境温度采集对应的摄氏度,温度范围-55℃~125℃;

n路16位DAC,每路均采用独立设计、加载独立电源、独立输出的电压型数模转换,各路之间无互扰;

缓冲运算放大器:与n路16位DAC一一对应连接,为独立输出的n路缓冲运算放大器,各路之间无互扰;

16通道ADC:其中1路用于输入温度数据,其余为独立输入的15路12位分辨率的模数转换;

CAN通信接口:支持CAN协议2.0A和2.0B主动模式,波特率最高可达1Mbits/s,支持11 位和29 位识别码;

I2C通信接口:支持主从模式配置支持10bit、7bit地址配置、支持I2C速度配制;

SPI通信接口:支持通用SPI串行接口协议、支持只发、只收、同时收发模式、支持时钟波特率可配置、支持时钟相位可配置、支持时钟极性可配置、支持可变的数据长度;

UART通信接口:支持波特率配置、支持数据长度配置、支持相位配置、支持停止位;

GPIO接口:为通用I/O端口,支持数据输出、数据输入、输入输出可配制。

另外,对1个完整的微处理器而言,还包括:

电源管理和转换单元,用于为各用电单元供电,例如为数模转换单元提供所需的模拟电源,为模数转换单元提供数字电源,还包括上电复位电路,用于上电后重置运行程序。

SRAM:随机存取存储器,通电数据保存、断电数据消失。

片上振荡器及锁相环:片上振荡器为8M,通过锁相环路,输出8M稳定时钟,支持频率调节,可根据配置输出相应倍数的频率输出,最高输出72MHz。

与现有技术相比,本发明的优点在于:

1、提出可一种新的多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片架构,采用SoC单片集成,将微控制器、存储器、温度传感器、n路16位数模转换、n路缓冲运算放大器、16路12位模数转换、片上振荡器及锁相环、上电复位、计时器、看门狗及多种通信接口集成在一个硅片上,大大的缩小了体积。

2、本发明的数模转换单元中,共有n路16位DAC和n路缓冲运算放大器一一对应连接,每路DAC均采用独立设计,加载独立电源,独立输出的电压型数模转换,各路之间无互扰,每路缓冲运算放大器也为独立输出,各路之间无互扰。

3、本发明集成了Flash存储器,能够重复性存储程序与数据。

4、本发明集成多种数字IP,满足多种通信接口如:CAN、I2C、SPI、UART、GPIO的要求。

综上,本发明产品满足旋磁滤波器多通道产品驱动的多路、高精度、高温度稳定性需求,与现有技术的数字控制驱动单元相比,体积缩小到四分之一,最终实现多路、多通道旋磁滤波器组件的小型化,促进了旋磁滤波器产品的集成化及小型化的发展。

附图说明

图1为现有技术中单通道旋磁滤波器产品原理框图;

图2为现有技术中七通道旋磁滤波器产品原理框图;

图3为本发明芯片的原理框图;

图4为本发明芯片的一种实际构架图;

图5为本发明连接多通道旋磁滤波器的示意图;

图6为现有技术中的控制及驱动数字单元的SIP示意图;

图7为本发明制成的控制及驱动数字单元的SIP示意图。

图中:1、多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片;2、电压转换芯片;3、电压基准芯片;4、常规微控制器芯片;5、电压型16位数模转换芯片;6、缓冲放大器芯片。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1:参见图1、对于单通道的旋磁滤波器产品,为电流型驱动器件,其主要包含旋磁滤波器器件、控制及驱动数字单元、驱动恒流单元三个部分。

参见图2,对于多通道的旋磁滤波器产品,均为数控型。也包括控制及驱动数字单元、驱动恒流单元。其中微控制器、存储器、接口电路、多个数模转换电路、多个缓冲放大电路构成控制及驱动数字单元;电压放大电路、电压电流转换电路组成驱动恒流单元。目前的控制及驱动数字单元,采用的是独立芯片设计方法,即微控制器、存储器、接口电路、数模转换、缓冲放大独立使用,需要驱动多少通道的旋磁滤波器,就需要多少个数模转换电路。

实施例2:参见图3到图5,一种多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片1架构,用于控制驱动包含n个通道的多通道旋磁滤波器,包括电压转换芯片2、电压基准芯片3、微控制器和通信接口单元,所述电压转换芯片2用于对微控制器提供工作电压,所述微控制器包括互联总线、AHB总线、APB总线,所述n为正整数,所述微控制器经AHB总线连接一Flash;

所述微控制器经互联总线桥接APB总线,所述APB总线连接通信接口单元,且APB总线还连接有模数转换单元、数模转换单元、以及为上述各用电单元供电的电源管理和转换单元;

所述通信接口单元包括CAN通信接口、I2C通信接口、SPI通信接口和UART通信接口和GPIO接口,所有接口均接通APB总线,用于输入数字控制信号,所述数字控制信号含有多通道旋磁滤波器的通道控制信息;

所述数模转换单元包括DAC控制单元,所述DAC控制单元输入端连接APB总线,输出端连接n个与多通道旋磁滤波器的n个通道一一对应的支路,每个支路包括一16位DAC和一缓冲运算放大器,所述16位DAC的输入端接DAC控制单元,输出端接缓冲运算放大器,用于输出一路模拟驱动信号,所述DAC控制单元用于控制n路的选通,且每个支路中的16位DAC和缓冲运算放大器,由电源管理和转换单元独立供电,所述电压基准芯片3连接每个16位DAC,用于对16位DAC提供电压基准;

所述模数转换单元包括一个16通道ADC,每个通道的输出端经ADC控制单元接APB总线,其中1通道的输入端连接一温度传感器,用于将温度传感器的模拟温度信号转换为数字温度信号,其余通道用于连接电压转换芯片2和/或电压基准芯片3,从二者中获取数个模拟电压监控信号,转换为数字电压监控信号,所述ADC控制单元用于控制16通道ADC中通道的选通及温度传感器的数据采集;

所述微控制器用于接收数字控制信号,从数字控制信号中获取及处理通道控制信息,并根据通道控制信息控制DAC控制单元的选通,再将通道控制信息送入与通道对应的支路中,由支路转化为模拟驱动信号输出;

所述微控制器还用于接收数字温度信号和数字电压监控信号,所述微控制器内预存电压转换芯片2和/或电压基准芯片3正常工作的工作电压信号,并用于将数字电压监控信号和对应工作电压信号进行对比,判断电压转换芯片2和/或电压基准芯片3工作状态;

所述微控制器、通信接口单元、数模转换单元、模数转换单元、温度传感器、和电源管理和转换单元集成于SoC芯片中。

本实施例:n个支路中,其中一支路的缓冲运算放大器经主通道电流采样电路,接多通道旋磁滤波器的主通道中电磁场线包的输入端,其余支路的缓冲运算放大器分别经一副通道电流采样电路,接多通道旋磁滤波器的副通道中电磁场线包的输入端;

所述主通道电流采样电路包括采样电路和电流放大电路,用于将模拟驱动信号采样为电流信号、并进行正电流放大,形成主通道工作电流,所述主通道工作电流用于激发主通道频率响应;

所述副通道电流采样电路包括采样电路和正负电流放大电路,用于将模拟驱动信号采样为电流信号、并进行正负电流放大,形成副通道工作电流,所述副通道工作电流用于修正副通道频率响应。

所述电源管理和转换单元还包括上电复位电路、所述微控制器还包括与其APB总线连接的片上振荡器及锁相环、计时器、和看门狗。

所述微控制器为32位的Cortex-M3控制器。

所述微控制器还经AHB总线连接一SRAM。

另外,为了更好说明本发明的效果,我们给出一个具体的控制流程如下:

1、此时外部的数字控制信号为UART串口信号,该信号用于控制本发明输出到多通道旋磁滤波器中第一个通道,也就是主通道的工作电流;

2、该信号通过RS422串口或UART串口送入微处理器中,微处理器分析、识别出其中的通道控制信息,所述通道控制信息包括通道信息、选通该通道的电流信号的大小,此处电流信号大小应等于主通道工作电流的大小;

3、微处理器按通道控制信息,控制DAC控制单元工作,选通主通道对应的支路,该支路上的16位DAC和缓冲运算放大器工作,输出与通道控制信息对应的模拟驱动信号;

4、与该支路连通的主通道电流采样电路工作,输出选通该通道的主通道工作电流,主通道工作电流流过主通道内的线包,使主通道产生可控的电磁场,该电磁场为多通道旋磁滤波器的主通道提供稳定可控电磁场,激励旋磁滤波器内谐振子谐振,激发通道响应,实现射频信号的选择通过。

本发明每次不仅仅只控制1个通道,可根据需要选通1-n个通道,假设n=7,且所述模拟控制信号需要控制7个通道均导通,则外部数字控制信号经过电压转换芯片2处理,通过UART串口进入微控制器,微控制器分析后,生成7个独立的数字信号,并控制DAC控制单元工选通7个支路,7个数字信号分别经7个支路的16位DAC和缓冲运算放大器处理,形成7个不同的模拟驱动信号,这7个不同的模拟驱动信号,再经主通道电流采样电路、副通道电流采样电路,输出1个主通道工作电流、和6个副通道工作电流,分别去接通7个通道中的电磁场线包,使7个通道均产生电磁场,实现频率响应。

本发明中,模数转换单元结合微处理器,还具有分辨电压转换芯片2、电压基准芯片3、以及模拟控制信号是否异常的功能。

例如:若需分辨电压转换芯片2、电压基准芯片3是否正常工作,可以在微控制器内预设二芯片正常工作的工作电压,然后,模数转换单元连接在电压转换芯片2、电压基准芯片3对应信号输出引脚上,假设此时,电压转换芯片2需为微控制器提供5V工作电压,则工作电压输出端的信号,作为一个模拟电压监控信号,经模数转换单元转换成数字电压监控信号送入微控制器中,微控制器内预设该芯片正常工作的工作电压信号为5V,若此时数字电压监控信号等于5V,说明电压转换芯片2正常工作。电压基准芯片3也同理。

若需判断模拟控制信号是否正常,此时模拟控制信号为模拟电压信号,微控制器内也预设该模拟控制信号对应数字控制信号的阈值,并将数字控制信号与阈值进行对比,实现数字比较功能。

实施例3:参见图3到图5;基于本实施例2,我们给出一种具体的多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片1架构,用于控制驱动包含7个通道的多通道旋磁滤波器;

图中:

CM3 CPU:集成ARM Cortex M3,也就是本发明中的微处理器;

JTAG&SWD:支持JTAG与SWD两种程序加载入FLASH模式;

E-FLASH: 集成Flash存储器,容量为128KB,也是本发明中的Flash;

SRAM:集成SRAM存储器,容量为16KB;

BUS:总线,有CM3 CPU、DMA1、和DMA2三个主设备,其中CM3 CPU有三个AHB总线接口,分别是AHB Matrix——互联总线、AHB Bus ——AHB总线、APB Bus ——APB总线;从设备有FLASH,SRAM,APB。AHB总线矩阵为一个5到3的总线矩阵;

数模转换单元:组成7路16位数模转换的缓冲输出,实现独立输出的电压型数模转换缓冲输出,各路之间无互扰;包含有:

DAC Ctrl:DAC控制器;

1ch 16-bit DAC到7ch 16-bit DAC:为7路16位DAC,连接DAC Ctrl;

OPAMP1到OPAMP7到:为7个缓冲运算放大器,与7路16位DAC一一对应连接;

Temp. Sensor:温度传感器;

16-input 12-bit ADC:16通道DAC,其为12位模数转换,其中15个通道为模数转换使用,1个通道将温度传感模拟信号转换为数字信号;

PLL:锁相环,可以将内部时钟或外部时钟经过变频,最大实现72MHz时钟;

Controller:时钟、模数转换、温度传感控制;

Power MGMT:电源管理和转换单元;

GPIO A TO D:4组GPIO端口,A到D;

UART x3: 通用同步异步收发器,3组集成;

CAN:CAN控制,支持CAN协议2.0A和2.0B;

SPI x2:2组SPI控制,支持主或从模式选择;

I2C x2: 2组I2C总线协议转换,支持主或从模式选择;

IO MUX:可编程GPIO,GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式;

Timers:可编程定时器;

Watchdog Timer:看门狗定时器;

Polynomial:硬件加乘多项式,用于提高计算速度。

本发明结构制成的产品,能实现多路、多通道旋磁滤波器的数字控制驱动单元的小型化,和现有技术相比,其尺寸参见图6和图7。图6为现有技术中的控制及驱动数字单元的SIP示意图;图7为本发明制成的控制及驱动数字单元的SIP示意图。图6中,W1、L1分别为现有技术产品的宽度和长度;图6中包含常规微控制器芯片4、7个电压型16位数模转换芯片5、7个缓冲放大器芯片6,可见,尺寸相对较大。图7中,W2、L2分别为本发明产品的宽度和长度,图7中仅包含多通道旋磁滤波器用控制驱动芯片1、电压转换芯片2、电压基准芯片3,对比可知,尺寸相对较小。我们对其尺寸和面积进行对比得到表1:

表1、现有技术和本发明的控制及驱动数字单元SIP面积对比表

采用本发明方案比现有技术“控制及驱动数字单元”体积缩小到7/25,进一步实现了旋磁滤波器产品的集成化及小型化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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